УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОДУГОВОГО НАНЕСЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ В ВАКУУМЕ Советский патент 1995 года по МПК C23C14/32 

Изобретение относится к области вакуумной металлизации, а именно, к устройствам электродугового нанесения защитных покрытий.

Целью изобретения является расширение технологических возможностей протяженных электродуговых испарителей путем обеспечения программного управления областью перемещения катодных пятен дуги по рабочей поверхности расходуемого катода.

На фиг. 1 и 2 изображена конструкция предлагаемого устройства (фиг. 1 боковая проекция, фиг. 2 вид в плане); на фиг. 3 приведена блок-схема системы питания и управления; на фиг. 4 график зависимости выходного напряжения дифференциального усилителя от положения катодного пятна (КП) на рабочей поверхности катода при различных значениях управляющего напряжения. Кривая I устойчивое положение КП в центре катода (U_упр 0); кривая II устойчивое положение КП на конце катода U_упр.ni); кривые III и IV соответствуют промежуточному положению КП на катоде; кривая V устойчивое положение КП вначале катода (U_упр. ni).

Устройство электродугового нанесения покрытий содержит протяженные анод 1 и расходуемый катод 2 (фиг. 1 и 2), систему 3 осевого перемещения КП, источник электропитания 4 и датчик положения КП, выполненный в виде проводника 5, размещенного над рабочей поверхностью протяженного катода 2 и снабженного датчиками тока 6, подключенными к его выводам, программатором 7 и дифференциальным усилителем 8. Входные клеммы датчиков тока 6 подключены к входу дифференциального усилителя 8, выходы которого соединены с системой 3 осевого перемещения КП, выходные клеммы датчиков тока соединены друг с другом и подключены к положительной клемме источника электропитания 4, а программатор 7 подключен к входным клеммам одного из датчиков тока 6 и дифференциального усилителя 8.

Предлагаемое устройство имеет медный катод длиной 1000 мм, шириной 100 мм и толщиной 10 мм. Анодом испарителя является вакуумная камера. Катод размещен между полюсами электромагнита, создающего напряженность магнитного поля на рабочей поверхности катода ≈30Э. В качестве датчика положения КП применена водоохлаждаемая трубка из нержавеющей стали ⊘ 8x0,6, расположенная на расстоянии 50 мм от рабочей поверхности катода и проходящая вдоль его оси симметрии. Для того, чтобы полезный управляющий сигнал с датчика был максимальным по величине, необходимо, чтобы R_g >> R_ш, где R_g сопротивление проводника датчика положения КП. R_ш сопротивление шунта (датчика тока). Рабочий ток в цепи датчика положения КП составлял 30А и подбирался с помощью балластного резистора, включенного в цепь датчика. В качестве датчиков тока использовались шунты на 30А и 75В. Коэффициент усиления дифференциального усилителя К 500. В качестве программатора использовался неуравновешенный мост, состоящий из параллельно включенных цепей из потенциометра и двух последовательно включенных резисторов. На мост подавалось напряжение от гальванического элемента через ограничивающий резистор. С моста снималось напряжение порядка ± 75 ˙ 10^-3 В и подавалось на один из входов дифференциального усилителя.

Устройство электродугового нанесения металлических покрытий работает следующим образом.

С помощью системы поджига между анодом 1 и катодом 2 в вакууме возбуждается дуговой разряд в парах расходуемого материала катода. При подаче положительного потенциала на датчик положения катодного пятна по обеим ветвям датчика протекают токи i₁ и i₂, величина которых определяется сопротивлением ветвей Х и (l-Х), т. к. область выхода тока находится напротив местоположения КП на поверхности катода (фиг. 3). При изменении положения КП длина ветвей проводника сопротивления меняется, а следовательно, изменяются и токи, протекающие по ним, сигнал о которых подается с датчиков тока 6 на входные клеммы дифференциального усилителя 8. Напряжение на выходе усилителя пропорционально разности токов в ветвях датчика положения КП. На выходе усилителя 8 подключена электромагнитная катушка системы 3 осевого перемещения КП, причем полярность подключения катушки такова, что создаваемое ею магнитное поле вынуждает КП дуги совершать движение в направлении, при котором разбаланс токов в ветвях уменьшается. Воздействие магнитного поля на катодное пятно прекратится, когда напряжение на выходе дифференциального усилителя станет равным нулю. Смещение катодного пятна в ту или иную сторону от положения равновесия мгновенно вызывает реакцию со стороны магнитного поля, вынуждающего КП вернуться в положение равновесия. При подаче с программатора 7 управляющего сигнала на один из входов усилителя 8 нулевое напряжение на выходе усилителя образуется при различных соотношениях токов в ветвях проводника сопротивления датчика положения КП.

Изменяя по программе управляющее напряжение на входе дифференциального усилителя, можно обеспечить программное управление областью перемещения КП, что позволяет расширить технологические возможности испарителя, а именно: получать любое соотношение компонент расходуемых материалов в наносимом покрытии, получать покрытия заданной переменной толщины и регулировать область перемещения КП в соответствии с размером обрабатываемого изделия.

Величина напряжения на выходе дифференциального усилителя, реагирующего на разность токов в датчиках, определяется соотношением:
U_вых= KN(i₁-i₂)KNi , где К коэффициент усиления;
n коэффициент преобразования тока в датчике.

Если на один из входов подать дополнительный сигнал U_упр, то напряжение на выходе усилителя
U_вых= KNi + KV_упр.

Поскольку устойчивое положение КП на катоде при U_вых. 0, то из последнего выражения следует, что величина управляющего напряжения изменяется в пределах от ni до (-ni) (фиг. 4). При этом положении КП на катоде изменяется от 0 до Х l.

Таким образом, если обеспечить возможность установки нулевого значения напряжения на катушке электромагнита системы перемещения КП при нахождении КП в определенной точке катода и изменять это напряжение в сторону, отличную от нуля (той или иной полярности), при уходе КП из этой точки так, чтобы направление вектора напряженности магнитного поля способствовало перемещению КП в сторону вышеуказанной точки на катоде, то точка на поверхности катода, где напряжение на катушке электромагнита равно нулю, является точкой устойчивого положения КП.

Если в процессе работы испарительного устройства имеется возможность изменять установку нулевого значения напряжения на катушке электромагнита (это значение связано с устойчивым положением КП в определенной точке катода) по заданной программе, то, в соответствии с программой будет изменяться местоположение устойчивого положения КП.

УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОДУГОВОГО НАНЕСЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ В ВАКУУМЕ, содержащее протяженные анод и расходуемый катод, систему осевого перемещения катодного пятна вдоль рабочей поверхности катода, датчик положения катодного пятна и источник электропитания, отличающееся тем, что, с целью расширения технологических возможностей путем обеспечения программного управления областью перемещения катодного пятна дуги по рабочей поверхности расходуемого катода, датчик положения катодного пятна выполнен в виде проводника, установленного над рабочей поверхностью катода, и снабжен датчиками тока, подключенными к его выводам, а также программатором и дифференциальным усилителем, причем входные клеммы датчиков тока подключены к входам дифференциального усилителя, выходы которого соединены с системой осевого перемещения катодного пятна, выходные клеммы датчиков тока соединены друг с другом и подключены к положительной клемме источника электропитания, а программатор подключен к входным клеммам одного из датчиков тока и дифференциального усилителя.