手持式微弧氧化放电装置的设计

吕鹏翔 尹婷婷 程良坤 王 松 许 鑫

（大连大学 机械工程学院，大连 116200）

1 研究背景

微弧氧化（Micro-arc Oxidation，MAO）是近些年发展起来的新兴技术。俄罗斯学者将其称为等离子体电解氧化（Plasma Electrolytic Oxidation，PEO）[1]；英国学者认为微弧氧化是阳极火花沉积（Anodic Spark Deposition，ASD）[2]现象；我国学者如狄士春等人称其为微弧氧化[3]；德国与美国学者更愿意称其为等离子微弧氧化（Plasma Micro-arc Oxidation，PMAO）[4]。

微弧氧化技术能够使铝、镁、钛及其合金等阀金属表面氧化出一层兼具耐磨性与耐腐蚀性的陶瓷膜层[5]，对提高和强化铝、镁、钛及其合金的机械性能具有重要作用。它的工作液对环境友好，不会造成污染，是一种环保的表面处理技术，受到了工业应用领域的关注。当前，微弧氧化处理系统主要由脉冲电源和作为对电极的工作液槽组成。工件接系统的正极，完全沉浸在工作液中。工作液槽作为对电极接系统负极，接通电源后通过复杂的电化学反应在金属表面生成陶瓷膜层。

微弧氧化后，铝、镁、钛及其合金基材与陶瓷膜层之间的硬度相差明显[6]。这种硬度梯度会影响陶瓷膜层与基材之间的结合力，导致工件在工作中银膜层脱落而失效。另外，因为工件具体结构复杂多变，很难一直保证零件所有表面的电场均匀一致，甚至可能因工件尺寸过大而使其局部露在工作液外，导致处理后陶瓷膜层均匀性降低，使处理后的零件在使用中出现局部脱落的现象，尤其是那些受到较强摩擦力的部分。为了避免发生生产事故，保证零件能够继续使用，这些脱落表面需要利用微弧氧化局部修补技术进行处理。

微弧氧化局部修补技术的主要工作目标是仅在脱落的局部进行微弧氧化处理。对于安装精度较高且复杂的零件，会因为拆解修补造成生产系统停工，导致时间和经济上的巨大浪费。此外，现有微弧氧化的浸没式处理方式，需要将整个零件运到现场进行修补，实施非常困难。若零件出现局部膜层脱落，裸露在外的部分会受到工作环境中的酸碱等物质的腐蚀，从而加速零件的损坏。轻者工件报废，延误工期，增加成本，重者造成生产事故，破坏生产设备，带来重大损失。因此，设计一种便携式的微弧氧化系统十分必要。

2 装置的总体方案设计

基于上述背景的分析，研制了一种机理上与微弧氧化相同的手持式便携装置。具体设计方案是利用管状电极作为放电的对电极代替工作液槽，工作液从内部喷出，增加了放电间隙的调控与保持的控制机构，使处理过程中的放电稳定均匀，以利于手持式微弧氧化处理的加工。

针对上述变化，本文设计了手持式阴极喷枪，降低了电源功率，并设计了安全保护措施。它的工作原理如下：电源向极间提供参数可调的放电波，待修补零件接电源阳极，扫描喷枪的管状电极接电源阴极，而管状电极的一端接水泵；修补处理时，工作液由管状电极的另一端喷至修补表面，在极间形成微弧氧化放电与冷却环境，放电后回流至溶液收集池，净化后循环使用。

2.1 手持式微弧氧化电源设计

脉冲放电波在极间的电场具有尖端效应，使得放电微孔的熔融氧化物溢出增多，有利于修补膜层的连续生长，且能保证膜层降低孔隙率，提高硬度，使膜层具有更好的耐磨擦性与耐腐蚀性。因此，本文选用脉冲电源。

考虑到手持式微弧氧化系统以修复为主要目标，主要用来保护因裸露而遭到工作液酸碱腐蚀的膜层，因此耐腐蚀性能是膜层的首要特征，耐磨性较为次要。在微弧氧化放电模式中，最常见的有单向和双向两种放电模式。其中，单向放电获得的陶瓷膜层具有很好的耐腐蚀性能。单向放电模式具有电源体积小和功率低、波形控制简单以及总体结构简单易于设计等优点。因此，本设计采用单向脉冲电源。

电源的输出方式有恒压方式和恒流方式两种。恒压方式是在微弧氧化放电过程中始终保持电源的输出电压不变，直到放电结束。该方式有利于控制膜层的最终厚度与粗糙度，且膜层孔隙率较低，具有较好的耐腐蚀性。恒流方式是在微弧氧化放电过程中始终保持电源的输出电流不变，直到放电结束。该方式膜层生长较快，但是膜层粗糙度和孔隙率较高，MC硬度较高。考虑到耐腐蚀性是修补膜层的首要性能，故而选择恒压输出方式。

2.2 脉冲电源方案设计

本文设计了以绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）为核心器件的单向恒压电源。该电源是典型的闭环控制，工频电压的形成过程为升压、整流、滤波和由IGBT斩波后得到脉冲波形输出到极间。电源的参数控制主要由单片机与CPLD和IGBT驱动芯片共同实现。单片机负责采集与比较输入信号，将脉宽与脉间值解码后传给CPLD。CPLD将其转变为控制信号后输送给驱动芯片，最终控制IGBT导通与关断，形成脉宽与脉间送往极间进行放电。极间的检测电路采集到电信号后，再输送到单片机进行比较，最终形成闭环反馈。

2.3 手持部结构的设计

手持式微弧氧化系统的阴极为内充液式管状结构，材料为316不锈钢，安装固定在手柄内部。手柄的采用绝缘材料制成，如图1所示。

图1 手持端子结构模型

工作液经过水泵由管状阴极后端输入，再由前端喷向工件。管状阴极表面敷有一层高可靠性的绝缘材料，以防止漏电而伤害操作人员。图2中的挡板结构主要是为了防止工作液的反向喷溅，也起到了保护操作人员的作用。管状阴极与电源阴极导线相连接，并用螺钉紧固保证链接可靠。进行手持式微弧氧化处理时，操作人员需握住手柄，使管状阴极的前端接触到待加工表面。调节好放电间隙后，在工件表面慢慢移动，随着放电的进行，会在修复表面生成微弧氧化膜层。

工作液在手持式微弧氧化系统的工作过程中是循环利用的。喷向工件表面的工作液主要起到提供放电环境和冷却的作用，进行局部修补处理的同时，在工作区域下方利用收集池进行收集，等待二次利用。需要指出的是，循环动力源使用的是耐强酸强碱潜水泵。

3 安全保护措施的设计

由于电子器件的限制，在手持式修复处理过程中，阴极与阳极不可发生短路。然而，人工手持操作很难保证万无一失，且很难保证极间的放电间隙稳定。因此，本文设计了极间距离调节机构，以满足上述要求。在管状阴极的外表面安装一个绝缘的硬管，该管紧贴在管状阴极表面，可手动调节，不易滑脱。加工时，根据修复工艺的要求，选择适当的放电间隙，然后调节绝缘硬管至超出管状阴极放电端，使得管状阴极包含在硬管内部。工人使用时，只需要将硬管的端部紧贴在修复表面，慢慢移动即可。硬管端部设有锯齿，以便工作液流出。整个装置在工人使用时非常方便与安全，能够很好地提高加工效率和膜层的质量。

4 结语

本文设计了手持式微弧氧化放电装置，包括有利于局部修复工艺的小功率单向恒压脉冲电源设计、基于管状阴极的手持式喷液机构的设计以及极间放电间隙的解决方案的设计，并设计了相关安全保护措施。