Коронный заряд
Коронная система заряда – наиболее широко распространенный тип электростатического оборудования. В этом варианте для передачи заряда порошку используется электрическое напряжение.
Порошок с помощью системы подачи по трубке поступает из бункера к наконечнику пистолета. Заряжающий электрод на конце пистолета соединен с источником высокого напряжения. Генератор высокого напряжения может находиться внутри контрольной панели и соединяться с электродом высоковольтным кабелем, либо может располагаться внутри корпуса пистолета. Высоковольтные усилители, находящиеся внутри пистолета соединяются с контрольной панелью низковольтным кабелем.
При включении электростатического напылителя между наконечником пистолета и близлежащим заземленным объектом создается неоднородное электрическое поле. Линии поля возникают между электродом на конце пистолета и поверхностью заземленной детали.
В воздухе всегда присутствуют свободные электроны или ионы. Попадая в сильное электрическое поле у наконечника пистолета, они начинают с ускорением двигаться вдоль силовых линий. При этом, они сталкиваются с молекулами воздуха.
Коронный разряд генерируется, когда сила поля достаточна для расщепления молекул газов, входящих в состав воздуха. Удары свободный ионов о молекулы газов должны быть достаточно сильны для того, чтобы разбить их, образуя два вторично отрицательных и один положительный ион. Вторичные электроны будут ускоряться в электрическом поле и повторять процесс разбиения молекул воздуха, образуя больше свободных ионов. В результате отрицательные ионы будут ускоряться вдоль силовых линий к детали, в то время, как положительные ионы будут ускоряться вдоль силовых линий в противоположном направлении, к электроду пистолета. Пространство между пистолетом и заземленной деталью наполняется миллионами свободных электронов и положительных ионов.
Заземленные электропроводные детали образуют акцептирующий электрод, создавая электростатическое поле между деталью и пистолетом. Когда частицы порошка проходят через эту корону, они заряжаются, обычно отрицательно, и перемещаются по электрическому полю и воздушным потокам к заземленному изделию. Когда воздух приближает частицы на расстояние нескольких сантиметров от детали, начинает действовать электростатическое притяжение к поверхности.
Степень передачи заряда определяется силой поля, размером и формой частиц порошка, а также временем, которое частица находится в силовом поле. Электрическая сила направляет частицы к заземленному субстрату. Сопротивление воздуха, аэродинамические силы и гравитация могут отклонять их в сторону. Поток воздуха доставляет частицу к изделию, но, если она не несет достаточного заряда, она в значительной мере подвержена этим противодействующим силам.
Влиять на коронный заряд могут: расстояние от пистолета до изделия, скорость движения порошка, формы электрода и наконечника, заземление детали, выступающей в качестве принимающего электрода.
Линии электростатического поля возникают между электродом пистолета и заземленной деталью и образуя с окрашиваемой поверхностью прямой угол. Эти линии больше концентрируются на углах, что ведет к локальному увеличению толщины слоя. В пространстве между пистолетом и деталью присутствует множество свободных ионов. Заряженный порошок и остающиеся свободные ионы движутся вдоль линий поля. Это сочетание заряженных частиц порошка и свободных ионов имеет электрический потенциал, который часто называют «пространственным зарядом». В коронной системе заряда электрическое поле около поверхности детали складывается из полей, создаваемых электродом пистолета и пространственным зарядом. Их сочетание обеспечивает эффективное нанесение порошка на заземленную деталь.
Эффект Фарадея
Большие ровные поверхности хороши для создания сильных электрических полей, генерируемых коронной системой заряда. Но те же силы, что обеспечивают хорошее нанесение на большие ровные поверхности, могут создавать проблемы на деталях с более сложной геометрией. Это так называемый эффект Фарадея. Внутри углов и пазух затруднено осаждение порошка.
Электростатические силовые линии имеют тенденцию концентрироваться на выступающих углах. Порошок интенсивно оседает на них, а внутрь его будет попадать существенно меньше. Помимо этого, электропроводная часть детали экранирует внутренние углы от электростатического поля, создаваемого пистолетом. Комбинация этих факторов делает окрашивание пазух одной из наиболее сложных проблем, с которыми сталкивается оператор.
Поскольку линии поля от разрядного электрода следуют по пути минимального сопротивления к выступающим углам пазух, в этих местах сила поля резко возрастает. Вследствие этого генерируются положительные ионы, снижающие заряд частиц, проникающих внутрь пазух. Когда это происходит, кумулятивный пространственный заряд частиц, проникающих за углы зоны Фарадея, оказывается не достаточным для притяжения порошка к металлической поверхности
При недостаточно хорошем заземлении проблема с проникновением порошка во внутренние углы существенно усиливается. Многие пользователи порошков не уделяют достаточного внимания качеству заземления. Однако проверка его должна являться обязательной стандартной ежедневной процедурой.
При коронном заряде можно выделить следующие фазы
- на электрод в наконечнике пистолета подается высокое напряжение
- под напряжением создается электрическое поле
- электрическое поле вызывает ионизацию воздуха
- ионизированный воздух генерирует корону
- корона выбрасывает электроны
- электроны оседают на молекулах газов, входящих в состав воздуха, образуя отрицательные ионы
- эти ионы движутся вдоль силовых линий поля
- частицы порошка искажают поле вокруг себя
- искаженные линии поля направляют ионы к частицам порошка
- при столкновении с частицами порошка происходит передача электронов, в результате чего частица порошка получает отрицательный заряд.
Большинство порошковых материалов – сильные диэлектрики. Когда они заряжаются, заряд быстро не стекает. Как только частица порошка достигает заземленной поверхности, они индуцируют в металле заряд равный по силе, но противоположной полярности. Электроны внутри металла освобождают пространство, оставляя положительный заряд, который притягивает отрицательно заряженный порошковый материал. Этот заряд в металле обычно называют «зеркальным зарядом». Более крупные частицы с большим зарядом создают большее электрическое поле между собой и поверхностью детали. Более крупные частицы порошка обычно имеют больший заряд, чем мелкие. Оседая на поверхности, они могут препятствовать оседанию мелких частиц с более слабым зарядом. Это один из факторов, который способствует образованию «апельсиновой корки» - слегка текстурированной поверхности толстого слоя порошка после отверждения. Это будет проявляться наиболее сильно, если цикл растекания порошка будет не достаточно продолжительным для выравнивания слоя.
Обратная ионизация
По мере нанесения порошка на поверхность металла, внутри слоя материала будет возрастать электрическое поле. Когда количество заряженных частиц на поверхности возрастает, отрицательный заряд в слое порошка и «зеркальный заряд» в металле возрастут, усиливая электрическое поле внутри слоя порошкового покрытия. При продолжении нанесения порошка, или при избыточно высоком напряжении на электроде пистолета, сила электрического поля может возрасти до момента, когда оно начнет ионизировать воздух, находящийся между частицами порошка. Это вызывает эффект, похожий на коронное поле на наконечнике пистолета. Свободные электроны будут ускоряться в электрическом поле и ударяться о молекулы воздуха, образуя большое количество электронов и положительных ионов. Электроны будут притягиваться к заземленному изделию, в то время как положительные ионы будут стремиться из слоя порошка к отрицательному электроду наконечника пистолета.
Это интенсивное возрастание электрического поля на поверхности детали образует мелкие искры, которые пробиваются через слой порошка. Обычно это явление называют обратной ионизацией. Эта отталкивающая сила образует кратеры на покрытии. Кроме того, когда положительные ионы движутся вдоль силовых линий по направлению к электроду пистолета, они сталкиваются с отрицательно заряженными частицами порошка, нейтрализуя их и снижая эффективность нанесения. Этот процесс проиллюстрирован ниже.
На рисунке 1 порошок откладывается на заземленной поверхности. На рисунке 2 толщина материала на поверхности растет и образует кумулятивный заряд слоя порошка и, как следствие, зеркальный заряд. Возрастание этих двух зарядов будет увеличивать силу электрического поля между слоем порошка и поверхностью металла.
По мере скопления порошка на поверхности, сила электрического поля внутри слоя порошка в некоторый момент становится достаточной для ионизации воздуха, находящегося между частицами порошка. Ионизируясь, воздух создает ту же атмосферу, что и коронный разряд наконечника пистолета, разгоняя потоки электронов в электрическом поле. Электроны сталкиваются с молекулами воздуха, образуя ионы. Отрицательные ионы будут притягиваться к относительно положительной заземленной детали, а положительные ионы начнут двигаться из слоя порошка к отрицательному электроду пистолета, как это показано на рисунке 3. Этот интенсивный поток ионов в слое порошка вызовет пробои в нанесенном покрытии.
Силы, связанные с обратной ионизацией, могут радикально ослабить эффективность нанесения, вызывать эффект апельсиновой корки и образовывать кратеры в покрытии.
Электростатическое напряжение
Высокое напряжение может подаваться от внешнего источника по высоковольтному кабелю или с помощью усилителя генерироваться внутри корпуса пистолета.
Пистолет с внешним зарядом.
В этом варианте электрическое напряжение в 30-100 кВ генерируется высоковольтным оборудованием, расположенным в управляющей панели и передается на электрод в наконечнике пистолета по высоковольтному кабелю. Заряд, как правило, имеет отрицательную полярность, и может регулироваться по своей величине.
Уровень заряда зависит от формы детали и используемого порошка. Как правило, поверхности, на которых отсутствуют зоны Фарадея (углубления и внутренние углы), следует покрывать с максимально высоким вольтажом при минимально возможном потоке воздуха. Зоны Фарадея лучше укрываются при более низком напряжении. Более низкое напряжение снижает отталкивание частиц порошка во внутренних углах.
Не все порошки ведут себя одинаково при получении электрического заряда. Например, стандартный полиэфир или эпокси-полиэфир могут заряжаться лучше, чем эпоксид. Поэтому при нанесении чистых эпоксидных порошков может возникнуть необходимость снизить вольтаж или интенсивность потока.
Внутренний силовой источник.
В этом варианте высокое напряжение генерируется внутри корпуса пистолета. Низковольтный сигнал поступает на пистолет от панели управления по низковольтному кабелю на осциллятор. Импульс от осциллятора усиливается трансформатором примерно до 10 кВ. Этот сигнал увеличивается до уровня 80-100 кВ каскадным усилителем, находящимся в корпусе пистолета. Во избежание единоразового разряда накопленной энергии, в корпусе пистолета находится блокирующее сопротивление.
Обратный электрод
Электростатические пистолеты могут быть настроены для снижения эффекта Фарадея, но, тем не менее, тем не менее, эффект Фарадея часто составляет серьезную проблему для операторов..
Один из способов, позволяющих преодолевать эффект Фарадея – установка на пистолете дополнительного обратного электрода. Большая часть ионов, создаваемых ионизирующим электродом, направляются к обратному электроду, по силовым линиям, направленным от детали. При отсутствии концентрированных силовых линий на детали возрастает возможность проникновения во внутренние углы.
Пистолеты с обратными электродами обеспечивают равномерные покрытия и хорошее проникновение без избыточной толщины на выступах сложных форм.
Напряжение, создаваемое этими пистолетами – от 35 до 40 кВ, а полезная сила тока – 80 миллиампер. Интенсивность воздушного потока обычно низкая - для обеспечения хорошего заряда, во время пребывания порошка в электрическом поле. В итоге пистолеты с обратными электродами лучше приспособлены для небольших объемов работы, требующей проникновения в зоны Фарадея и одновременного соблюдения требуемой толщины на ровных поверхностях.
Во всех электростатических пистолетах для обеспечения эффективного заряда порошка очень важно следить за состоянием и чистотой электродов.
Приспособления, улавливающие свободные ионы
Уловитель свободных ионов – это заземленный электрод, установленный на пистолете за заряжающим электродом. Он функционирует как обратный электрод, не позволяющий свободным ионам быстро заряжать поверхность изделия и вызывать обратную ионизацию. Улавливатель ионов располагается ближе к заряжающему электроду, чем поверхность изделия. Электрическое поле распространяется по пути наименьшего сопротивления и в большей степени формируется между электродом и уловителем, чем между электродом и изделием. В результате электрическое поле около поверхности изделия будет создаваться пространственным зарядом частиц порошка по мере их оседания на поверхность. Это поле слабее, чем было бы, если бы свободные ионы имели возможность беспрепятственно попадать на деталь. Однако, при нормальном заряде порошка эффективность переноса будет ниже не на много, а проникновение в сложные конфигурации улучшится.
В расстояниях между электродами и деталью существует важная пропорция. Уловитель должен быть ближе к электроду, чем заземленная деталь. Но если они окажутся слишком близко, то область заряда может снизиться до уровня, не обеспечивающего эффективного заряда. В среднем, расстояние между электродом и уловителем должно составлять половину расстояния между электродом и изделием.
Кроме улучшенного проникновения в зоны Фарадея, правильно установленный уловитель помогает избежать обратной ионизации при перекрашивании изделий.
Регулируемый уловитель ионов
