电容充放电数字控制电火花沉积电源

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1、电容充放电数字控制电火花沉积电源第1章绪论1.1课题研究背景随着现代工业的飞速发展，对机械设备、零件表面强化性能（如硬度、耐磨性和抗氧化性等）的要求越来越高。表面强化的工艺很多，主要包括喷丸强化、表面热处理、化学热处理、等离子扩散处理（PDT）等[1]，上述大部分工艺基体与涂层间是化学或机械结合，加工方法和表面性能不能满足如核能等行业的苛刻需求。近年来，电火花沉积（EiectroSparkDeposition）工艺受到人们关注[2]。电火花沉积利用高能量密度的电能导致火花放电，电极材料熔渗进基体表面。并与基体冶金结合形成涂层，由于涂层为真正的冶金结合，表面性能显著提高；热输入量不

2、到1%，不会引起基体的热变形和残余应力[3]；另外该工艺具有操作简单,生产成本低，不会产生有害气味、准备工作简单等优点，在近代工业中应用日益广泛[4]。电火花沉积技术还可以用来修复设备和零件。电火花沉积修复应用与工件材料相同的电极，通过高能量电能产生火花放电使电极材料沉积到具有缺陷的关键零件或工磨具表面，从而恢复其工作性能。国外在电火花沉积理论方面的研究比较多。前苏联学者详细的研究了电极焊接对一些元素电蚀的影响，并认为未来电火花沉积的方向应该是减少单个放电脉冲能量、采用非接触式放电的高频率脉冲电源；加拿大麦吉尔大学S.Cadney,M.Brochu对各种材料在电火花沉积中的性能做

3、出了详细的分析，对沉积结构与参数影响因素进行了分析，得出其各参数的影响范围。19世纪40年代前苏联学者拉扎连科夫妇首先提出电火花强化工艺，这项技术很快推广到了其他的发达国家[5]。90年代以来，日本和欧美等国的电火花沉积方面设备发展迅速，来至日本的毛利尚武教授也利用细的钨电极（Φ0.1mm）成功进行了电火花沉积[6]。1.2电火花沉积技术的优缺点跟其他加工工艺比较，电火花沉积有如下优点：1电极与基体间为冶金结合，因为强化层是电极和工件材料在放电时的瞬间高温高压条件下重新合金化形成的新合金层，得到的沉积层强化性能（包括硬度、耐磨性和抗氧化性等）显著提高。2热输入小。电火花沉

4、积过程中99%的热量散逸，对工件的热输入仅为1%。工件温度维持在室温，基体材料不产生热变形或退火，减少了待修复工件尺寸改变造成的诸多后果，更好的适应现代化工业拆装配套的要求。3电火花沉积能对工件进行局部强化或修复，不需要拆装工件从而大大缩短了工作周期；不需要真空、化学喷雾柜等苛刻加工环境，不产生危险、难闻的气体；电极材料绝大部分沉积到工件表面，无浪费现象[13]。4基体不需要做特殊的表面准备工作，加工周期很短，而且几乎所有金属、合金或金属陶瓷都能应用[14]。第2章电源要求及总体方案设计2.1电火花沉积机理电火花沉积是在电火花常规加工基本原理之上发展起来的，图2-1为电火花沉积原

5、理图，电极接脉冲电源正极，工件接负极。两极间高能量的电能产生火花放电，局部温度高达8000～25000°C[17]，从而使电极材料熔化、气化，并在电场力和重力等共同作用下带到基体表面上，只有少部分溢出到空气中。沉积到工件表面上的电极材料，以510～610°C/s的冷却速度迅速冷却，并与基体材料冶金结合产生具有很好强化性能的沉积层。由于单个放电脉冲能量很少，而且大部分的热能都散发到空气中，所有对工件的热输入量很小，大大减小了热变形和应力集中现象[18-20]。电火花加工是在液体介质中进行的，液体介质用于形成放电通道和极间消电离。而电火花沉积/堆焊如果在油液中进行，不

6、仅不能得到沉积层，还会造成工件被蚀除[21]，所以电火花沉积必须在空气中（或者惰性气体）进行。这是为了避免在液体介质中产生的放电微区强爆炸力对沉积不利，同时避免油液中碳吸附影响和液体介质分解后在电极表面产生炭黑膜阻碍电极的蚀除。由于不需要额外的工作介质，电火花沉积在户外也可以随时进行，大大节约了准备时间。有实验证明，在氩气中电火花沉积加工可以顺利进行，得益于惰性气体大大减少了沉积层的氧化，氩气中沉积得到的沉积层性能比空气中好，由于沉积颗粒变小，沉积速度也明显降低[22]。2.2电源要求及参数分析电火花沉积/堆焊脉冲电源主要两大类。由电容、电阻、电感组成的RC电路、RLC电路、LC

7、电路和由可控硅、晶体管等元器件组成的开关电路等[24]。其中RC电路通过电极的运动，利用电容充电储能瞬间放电来进行工作，具有结构简单，工作可靠、成本低等优点。电火花沉积/堆焊电源常采用这种电路。在高能量电火花放电下，电极上的材料熔化、气化，并在电场力、重力等作用下沉积到基体表面[25]。材料沉积的质量正比于单个放电脉冲能量、放电频率和加工时间。并与电极材料、脉冲参数等有很大关系。在影响加工速度的因素中，放电能量影响最大，而放电能量与放电电压、电容容量和脉冲间隔有关，因此，在电源设