СПОСОБ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО НАПЫЛЕНИЯ ПОРОШКОВЫХ ПОКРЫТИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК B05B5/00 B05B5/53 

Изобретение относится к технологии нанесения порошковых покрытий электростатическими распылителями и может быть использовано в различных отраслях промышленности для получения защитно-декоративных и специальных покрытий. Изобретение может использоваться и в других областях промышленного применения электростатики.

Известен способ электростатического напыления порошковых покрытий, включающий измерение и поддержание заданной величины тока через заземленное изделие по результатам измерения и расчета величины произведения расхода порошка на среднемассовый заряд частиц как минимум для двух участков поверхности изделия [1] Согласно этому способу увеличивают плотность потока массы порошка в той части облака порошка между распылителем и изделием, где данное произведение превышает заданную плотность тока.

Следствием такой последовательности операций является высокая трудоемкость, т. к. для выбора параметров режима напыления необходимо использовать специальную "тест-деталь" с комплексом измерительных приборов, и низкая точность регулирования, связанная с тем, что результаты измерений не всегда "коррелируются" с условиями напыления на реальные изделия, поверхности которых отличаются по профилю от плоскости ("тест-деталь").

Задача снижения трудоемкости и повышения качества покрытия решается в способе электростатического напыления [2] выбранном в качестве прототипа. Согласно этому способу перед началом процесса напыления устанавливают заданный ток через электрод, установленный в зоне распылительного сопла распылителя, и поддерживают его стабилизированным в некотором интервале расстояний между коронирующей иглой распылителя и заземленным изделием, осуществляют подачу порошка через распылитель и выдерживают заземленное изделие в облаке заряженных частиц порошка вблизи распылителя в течение t_э времени экспозиции.

Однако данный способ не позволяет решить на достаточно высоком уровне ряд следующих производственных проблем: повышение качества покрытий, особенно толстослойных, т.к. на видовых участках поверхностей появляются дефекты, вызванные наличием обратного коронного разряда с напыленной поверхности; снижение количества отходов порошкового материала за счет накапливания в рекуперационной системе преимущественно частиц какой-то одной фракции; повышение безопасности процесса, главным образом при использовании более чем одного распылителя, т.к. изделие с нанесенной на его поверхность частью порошкового слоя в зоне экспозиции предыдущего распылителя может подойти к последующему распылителю еще и заряженным до потенциала в несколько киловольт (отсутствие надежного заземления детали на подвеске). При этом за счет подзарядки поверхности осажденного слоя ионами во время экспозиции у последующего распылителя зарядов может накопиться столько, что произойдет пробой с изделия на землю, может возникнуть искра, способная инициировать искровой разряд между коронирующим электродом распылителя и изделием, и, в конечном счете, привести к возгоранию порошка. В предлагаемом техническом решении согласовываются токи подзарядки слоя и утечки таким образом, чтобы пробоев не было.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении качества покрытия и безопасности процесса, в уменьшении явления избирательного осаждения отдельных фракций порошка за счет зарядки порошка в факеле распыла до оптимальной величины при колебаниях параметров режима напыления в широких пределах и регулируемой подзарядки слоя осажденных частиц свободными ионами.

В основу решения положена идея регулирования величины зарядов частиц порошка, степени подзарядки осажденного слоя величинами заданных токов высоковольтного источника таким образом, чтобы сочетались высокая производительность процесса с безопасностью, безотходностью и высоким качеством покрытия при реально существующих процессах обратного коронного разряда.

Решение технической задачи достигается тем, что в известном способе электростатического напыления порошковых покрытий, заключающемся в том, что осуществляют подачу порошка через распылительное сопло распылителя с образованием облака частиц порошка, подают ток заданной величины от высоковольтного источника на электрод, установленный в зоне распылительного сопла, и выдерживают заземленное изделие в облаке заряженных частиц порошка вблизи сопла распылителя в течение t_э времени экспозиции, согласно предложению, напыляют внутреннюю часть порошкового слоя на изделии при токе первой заданной величины, а внешнюю часть при токе второй заданной величины, поддерживают при этом ток стабилизированным при напылении хотя бы одной части порошкового слоя.

При этом для решения частных производственных задач ток первой заданной величины выбирают либо меньше, либо больше второй. При использовании нескольких распылителей на электроды хотя бы двух из них подают токи разной заданной величины. Кроме того, время t_n переключения токов с первой заданной величины на вторую выбирают из условия t_n < t_э. Отличием является и то, что переключают стабилизированные токи с первой заданной величины на вторую преимущественно в ключевом режиме. Также отличием является то, что момент начала переключения тока согласовывают со временем возникновения обратного коронного разряда с напыляемого слоя. Также поддерживают ток стабилизированным хотя бы при напылении внешней части порошкового слоя или последующих слоев многослойного покрытия.

Совокупность общих существенных и частных существенных признаков позволяет, например, осуществить процесс напыления однослойного покрытия с помощью манипулятора, на котором установлены два распылителя последовательно по ходу движения конвейера с деталями, следующим образом.

На коронирующий электрод первого распылителя подают ток первой заданной величины, а на электрод второго распылителя ток меньшей величины, чем на первый. При этом из облака вблизи сопла первого распылителя с высокой скоростью формируется часть порошкового слоя, которая явится внутренней в формируемом слое. В вариантах через этот распылитель осуществляют подачу порошка из рекуперационной системы, где порошок обеднен какой-то фракцией по размеру, включения посторонних веществ и т.д. При выборе величины тока, подаваемого на электрод первого распылителя, учитываются все эти обстоятельства; кроме того, расход порошка через него выбирается таким образом, чтобы в зоне факела распыла этого распылителя не успел образоваться обратный коронный разряд. При этом на коронирующий электрод второго распылителя подают стабилизированный ток второй заданной величины, которая меньше, чем первая. Производительность второго распылителя будет ниже, чем первого, однако из-за значительного уменьшения подзарядки осажденного слоя ионами коронного разряда не будут иметь места мощные разрядные явления в осажденном слое, поэтому качество поверхностного слоя будет высоким. Например, подавая свежий порошок через второй распылитель, мы легко решаем проблему улучшения качества поверхности покрытия.

В другом варианте ток, подаваемый на коронирующий электрод второго распылителя, устанавливают больше, чем у первого распылителя, оставляя ток первого распылителя, например, неизменным. Теперь в зоне факела распыла второго распылителя устанавливается режим так называемого "квазинепрерывного" обратного коронного разряда. Покрытие малой толщины (например, в соответствии с требованиями к покрытию) и с высокой степенью равнотолщинности будет сформировано в зоне второго распылителя. При этом доля порошкового слоя, сформированного вторым распылителем, будет ничтожной, т. к. весь порошок, распыляемый через него, в конечном счете срывается с осажденного слоя и попадает в рекуперационную систему. Но будет решена главная задача получение беспористого, тонкого, равнотолщинного покрытия.

Пункты предложения, касающиеся режимов переключения токов с первой заданной величины на вторую относятся преимущественно к процессам ручной окраски. Предпочтительным является ключевой режим переключения токов, т.к. он позволяет оператору просто контролировать, в каких местах изделия и сколько порошка требуется для формирования покрытия. При формировании же внутренней части порошкового слоя можно использовать, например, вольт-амперную характеристику с линейно подающим током.

На фиг. 1 приведены временные диаграммы переключения стабилизированных токов с первой заданной величины на вторую при напылении ручными электростатическими распылителями; на фиг. 2 блок-схема предлагаемого устройства.

Диаграмма 1 соответствует электростатическому напылению по пп. 1, 2, 6, 7 формулы изобретения. Диаграмма 2 соответствует электростатическому напылению по пп. 1, 3, 6, 7 формулы изобретения.

Пример 1. Производят электростатическое напыление эпоксиполиэфирным порошком. Покрытие однослойное толщиной 40 50 мкм. Изделие плоский лист 200х300 мм с отбортовками 20 мм. Осуществляют подачу порошка через распылительное сопло с расходом 10 12 кг/ч с образованием облака частиц порошка диаметром 15 20 см на расстоянии 15 см от распылительного сопла. Подают ток 30 мкА от высоковольтного стабилизированного источника тока на электрод, установленный в зоне сопла, и выдерживают заземленное изделие в облаке заряженных частиц примерно до времени t_ок, 12 14 с. За это время на поверхности изделия успевает сформироваться внутренняя часть порошкового слоя толщиной 30-40 мкм и покрытие в углах отбортовок. Затем в ключевом режиме переключают стабилизированный ток с первой заданной величины на вторую I₂ 60 мкА (в соответствии с диаграммой 1 фиг. 1) и продолжают напыление в течение остальной части времени экспозиции t_э. Получают при этом покрытие толщиной 40 50 мкм с высокой равнотолщинностью на плоской видовой поверхности изделия.

Пример 2. Напыляют однослойное покрытие из порошкового фторопласта толщиной до 100 мкм на внутренние и внешние поверхности корпуса водяной задвижки. Осуществляют подачу порошка с расходом 10 12 кг/ч с образованием облака частиц порошка диаметром 8 10 см на расстоянии 12 15 см от распылительного сопла. Подают ток 40 мкА от высоковольтного стабилизированного источника тока на электрод распылителя и выдерживают заземленное изделие в облаке заряженных частиц 13 15 с. За это время формируют внутреннюю часть порошкового слоя на всех поверхностях изделия. Толщина внутренней части порошкового слоя достигает за это время 60 80 мкм. На внешних поверхностях к указанному времени начинают наблюдаться отрывы порошка, связанные с возникающим обратным коронным разрядом. Переключают стабилизированный ток с первой заданной величины на вторую I₂ 18 мкА в соответствии с диаграммой 2 на фиг. 1 в ключевом режиме. Продолжают напыление еще в течение 12 15 с. Получают однослойное покрытие толщиной 100 120 мкм на всех поверхностях изделия сложного профиля.

Пример 3. Наносят многослойное покрытие суммарной толщиной 400 мкм из эпоксидного порошка. Первый слой толщиной 100 120 мкм напыляют с током 50 мкА, а последующие слои с током 15 20 мкА. За 4 слоя формируют покрытие заданной толщины с высоким качеством поверхности покрытия (отсутствие следов обратной короны).

В примерах 1 3 осуществления способа не наблюдается обеднения отдельных фракций порошка в рекуперационной системе, отсутствуют искровые пробои между распылителем и изделием, покрытие получается с ровной поверхностью, на которой отсутствуют следы обратного коронного разряда, при этом обеспечивается высокая производительность процесса напыления.

Наиболее близким по технической сути к заявленному устройству является электронный генератор высокого напряжения для электростатичекого распылительного устройства [2] Генератор содержит импульсный регулятор напряжения, ключевой усилитель мощности, два трансформатора, каскадный умножитель напряжения, датчики тока и напряжения, включенные в цепи обмоток второго трансформатора и взаимодействующие с импульсным регулятором напряжения через соответствующие петли обратной связи, уставки тока и напряжения, взаимодействующие через микрокомпьютер с импульсным регулятором напряжения. Наличие уставок тока и напряжения расширяет возможности использования данного устройства в технологии порошкового напыления, так как величины уставок могут быть изменены в зависимости от профиля покрываемой поверхности и других параметров режима.

Недостатком известного устройства является недостаточное качество покрытия изделий сложной конфигурации, связанное с избирательным осаждением отдельных фракций порошка, отклонениями в величинах зарядов частиц порошка от оптимальных и неконтролируемой подзарядкой слоя осажденных частиц на изделии свободными ионами в течение всего времени экспозиции.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении качества покрытий преимущественно изделий сложного профиля, уменьшении явления избирательного осаждения отдельных фракций порошка за счет регулирования во время экспозиции величины заряда порошка в факеле распыла и степени подзарядки осажденного слоя частиц свободными ионами. Для того чтобы регулирование величины зарядов частиц и степени подзарядки осажденного слоя не привели к уменьшению производительности процесса, предполагается осуществлять переключение стабилизированного тока высоковольтного источника с одной заданной величины на другую согласованно со временем возникновения обратного коронного разряда с напыленной части порошкового слоя t_ок.

Таким образом, технической задачей является решение одной или нескольких противоречивых производственных задач (производительность, коэффициент осаждения, избирательное осаждение отдельных фракций, равнотолщинность покрытия на поверхностях изделия различной степени сложности, достижение требуемого качества поверхности покрытия при заданной его толщине, удобство в обслуживании, выполнение правил техники безопасности и др.).

Решение технической задачи достигается тем, что в устройстве для электростатического напыления порошковых покрытий, включающем распылительное сопло порошка с коронирующим электродом и подключенный к электроду высоковольтный источник, содержащий импульсный регулятор напряжения, ключевой усилитель мощности, два трансформатора, каскадный умножитель напряжения, изолированный вывод которого подключен к ограничительному сопротивлению, датчики тока и напряжения, включенные в цепи обмоток второго трансформатора и взаимодействующие с импульсным регулятором напряжения через соответствующие петли обратной связи, первую уставку ограничения высокого напряжения, вторую уставку тока и микрокомпьютер, согласно изобретению оно снабжено формирователем широтно-импульсной модуляции, третьей уставкой тока и командно-временным блоком, а трансформаторы устройства выбраны узкополосными, причем вход формирователя широтно-импульсной модуляции соединен с микрокомпьютером, а выход с импульсным регулятором напряжения, второй выход микрокомпьютера подключен к ключевому усилителю мощности, а вторая и третья уставки тока подключены к микрокомпьютеру через командно-временной блок. Отличием является и то, что вторая, третья уставки тока и командно-временной блок выполнены в виде выносного пульта. Другое отличие заключается в том, что цепи первой уставки ограничения высокого напряжения, второй, третьей уставок тока и командно-временного блока устройства подключены к компьютеру управления технологическим процессом электростатического напыления порошковых покрытий.

Устройство (см. фиг. 2) включает распылительное сопло 3 порошка с коронирующим электродом 4, высоковольтный источник 5, содержащий импульсный регулятор 6 напряжения, ключевой усилитель 7 мощности, узкополосный трансформатор 8 низкого напряжения и узкополосный трансформатор 9 высокого напряжения, каскадный умножитель 10 напряжения, изолированный вывод 11 которого подключен к ограничительному сопротивлению 12. Источник 5 снабжен датчиком 13 тока и датчиком 14 напряжения, сигналы с которых поступают на микрокомпьютер 15 через соответствующие петли 16, 17 обратной связи по току и напряжению, первую уставку 18 ограничения высокого напряжения, вторую и третью уставки 19, 20 тока, формирователь 21 широтно-импульсной модуляции, командно-временной блок 22, подключенный к входу микрокомпьютера 15. Еще к одном входу микрокомпьютера 15 подключена уставка 18 ограничения высокого напряжения. Вход формирователя 21 широтно-импульсной модуляции подключен к первому выходу 23 микрокомпьютера 15, а второй выход 24 микрокомпьютера 15 подключен к входу усилителя 7 мощности. Выход формирователя 21 широтно-импульсной модуляции подключен к входу импульсного регулятора 6, а выход регулятора 6 соединен с входом ключевого усилителя 7 мощности, нагрузкой которого является трансформатор 8 низкого напряжения. Высоковольтный источник 5 подключен к коронирующему электроду 4 распылительного сопла 3 через ограничительное сопротивление 12. Заземленное изделие 25 установлено в вытяжном шкафу 26 на некотором расстоянии от распылительного сопла 3 с коронирующим электродом 4. В варианте выполнения командно-временной блок 22, вторая уставка 19 и третья уставка 20 тока выполнены в виде выносного пульта 27. Выносной пульт 27 может быть установлен, например, на стенке шкафа 26 (не показано). В другом варианте исполнения устройства цепи уставок 18, 19, 20 и командно-временного блока 22 подключены к компьютеру управления технологическим процессом электростатического напыления (не показано).

Работа устройства. Подают напряжение 220 B частотой 50 Гц на блок питания устройства (не показано). Микрокомпьютер 15 при этом выдает два переменных напряжения. Одно из этих напряжений имеет прямоугольную, а другое - треугольную форму. Напряжение прямоугольной формы с выхода 24 поступает на вход ключевого усилителя 7 мощности и используется в нем для его переключения. Напряжение треугольной формы с выхода 23 используется для регулирования напряжения на усилителе 7 через формирователь 21 широтно-импульсной модуляции и регулятор 6 напряжения. Формирователь 21 регулирует время открытия и закрытия в импульсном регуляторе 6, что приводит к изменению напряжения на первичной обмотке узкополосного трансформатора 8. На вторичной обмотке трансформатора 8 напряжение меняется в диапазоне 0 42 В. Это напряжение прикладывается к первичной обмотке трансформатора 9 и повышается в нем до 8000 10000 В. Особенностью работы схемы является то, что частота переключения ключевого усилителя 7 мощности при всех условиях остается постоянной и выбирается в диапазоне 13 18 кГц. Высокое напряжение с трансформатора 9 подается на каскадный умножитель 10 напряжения и подается через ограничительное сопротивление 12 на коронирующий электрод 4. При протекании тока коронного разряда в цепи заземления изделия 25 через датчик 13 протекает этот же ток. В петле 16 обратной связи происходит обработка сигнала и усиленный сигнал, пропорциональный току, протекающему через датчик 13, поступает в микрокомпьютер 15. На другой вход микрокомпьютера 15 через блок 22 подается ток либо с уставки 19, либо 20. Кроме сигналов тока на вход микрокомпьютера 15 подается сигнал о текущей величине напряжения на нагрузке от датчика 14 через петлю 17 обратной связи и сигнал с первой уставки 18 ограничения высокого напряжения. В микрокомпьютере 15 решается задача выбора рабочей точки источника 5 таким образом, чтобы в цепи электрода 4 протекал заданный стабилизированный ток при любых изменениях параметров режима напыления. Задавая нужную последовательность переключения стабилизированного тока в соответствии с пунктами 1 8 способа электростатического напыления, получают порошковые покрытия на изделиях, одновременно решая поставленные технические задачи.

Использование: изобретение относится к технологии нанесения порошковых покрытий электростатическими распылителями и может быть использовано в различных отраслях промышленности для получения защитно-декоративных и специальных покрытий. Сущность изобретения: в способе напыляют внутреннюю часть порошкового слоя на изделие при токе первой заданной величины, а внешнюю часть - при токе второй заданной величины, поддерживают при этом ток стабилизированным, хотя бы при напылении одной части порошкового слоя. Ток первой заданной величины могут выбирать меньше второй. Ток первой заданной величины могут выбирать больше второй. Устройство снабжено формирователем 21 широтно-импульсной модуляции, третьей уставкой 20 тока и командно-временным блоком 22. Трансформаторы 8 устройства выбраны узкополосными. Вход формирователя 21 широтно-импульсной модуляции соединен с микрокомпьютером 15, а выход - с импульсным регулятором 6 напряжения. Второй выход микрокомпьютера подключен к ключевому усилителю 7 мощности. Вторая 19 и третья 20 уставки тока подключены к микрокомпьютеру 15 через командно-временной блок 22. 2 с. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ электростатического напыления порошковых покрытий, заключающийся в том, что осуществляют подачу порошка через распылительное сопло распылителя с образованием облака частиц порошка, подают ток заданной величины от высоковольтного источника на электрод, установленный в зоне распылительного сопла, и выдерживают заземленное изделие в облаке заряженных частиц порошка вблизи сопла в течение t_э времени экспозиции, отличающийся тем, что напыляют внутреннюю часть порошкового слоя на изделие при токе первой величины, а внешнюю часть при токе второй заданной величины, поддерживают при этом ток стабилизированным, хотя бы при наличии одной части порошкового слоя. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ток первой заданной величины выбирают меньше второй. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ток первой заданной величины выбирают больше второй. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют несколько распылителей, при этом на электроды, хотя бы двух из них, подают токи с разной заданной величиной. 5. Способ по пп.1 и 2 или 1 и 3, отличающийся тем, что время t_п переключения токов с первой заданной величины на вторую выбирают из условия t_п < t_э. 6. Способ по пп. 1 и 2 или 1 и 3, отличающийся тем, что переключают стабилизированные точки с первой заданной величины на вторую преимущественно в ключевом режиме. 7. Способ по пп.1 3, 5 или 6, отличающийся тем, что момент начала переключения тока согласовывают со временем возникновения обратного коронного разряда с напыленной части порошкового слоя. 8. Способ по п.1, отличающийся тем, что поддерживают ток стабилизированным при напылении внешней части порошкового слоя или последующих слоев многослойного покрытия. 9. Устройство для электростатического напыления порошковых покрытий, включающее распылительное сопло порошка с коронирующим электродом и подключенный к электроду высоковольтный источник, содержащий импульсный регулятор напряжения, ключевой усилитель мощности, два трансформатора, каскадный умножитель напряжения, изолированный вывод которого подключен к ограничительному сопротивлению, датчики тока и напряжения, включенные в цепи обмоток второго трансформатора и взаимодействующие с импульсным регулятором напряжения через соответствующие петли обратной связи, первую установку ограничения высокого напряжения, вторую установку тока и микрокомпьютер, отличающееся тем, что оно снабжено формирователем широтно-импульсной модуляции, третьей уставкой тока и командно-временным блоком, а трансформаторы устройства выбраны узкополосными, причем вход формирователя широтно-импульсной модуляции соединен с микрокомпьютером, а выход с импульсным регулятором напряжения, второй выход микрокомпьютера подключен к ключевому усилителю мощности, а вторая и третья уставки тока подключены к микрокомпьютеру через командно-временной блок. 10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что вторая, третья уставки тока и командно-временной блок выполнены в виде выносного пульта. 11. Устройство по п.9, отличающееся тем, что цепи первой уставки ограничения высокого напряжения, второй, третьей уставок тока и командно-временного блока устройства подключены к компьютеру управления технологическим процессом электростатического напыления порошковых покрытий.