JP2012193431A

JP2012193431A - プラズマ溶射装置

Info

Publication number: JP2012193431A
Application number: JP2011059407A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Shimada; 普行島田; Masakatsu Umagome; 正勝馬込
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-03-17
Filing date: 2011-03-17
Publication date: 2012-10-11

Abstract

【課題】溶射材料として、金属などの導電性ワイヤーと、セラミックなどの粉体とを使用できるようにする。
【解決手段】陰極２を有する陰極ノズル３の軸上に、放出口１１ａ，１５ａ，１９ａを有する複数の外套１１，１５，１９を、絶縁物４，１２，１６を介して直列に連設し、その先頭の外套１９を、金属などの導電性ワイヤーが供給される導電性ワイヤー溶射外套とし、その他の外套を粉体溶射用外套とし、前記粉体溶射用外套と前記導電性ワイヤー溶射用外套を着脱可能に連結するとともに、セラミックスなどの粉体を供給する粉体供給手段２８を設ける。
【選択図】図１

Description

この発明は、気体中を流れる大電流、いわゆるアークやそれによって、発生する１万℃前後の高温度のプラズマによって、金属やセラミックス等の物質を溶融して処理対象物に吹き付け、その表面に強固な皮膜を形成するための、いわゆるプラズマ溶射装置に関するものであり、更に述べると、溶射材料として金属などの電導性ワイヤー及びセラミックなどの粉体を使用できるプラズマ溶射装置に関するものである。

従来のプラズマ溶射装置には、溶射材料として金属などの電導性ワイヤーを使用するものと、セラミックなどの粉体を使用するものがある。図７に示したのは、溶射材料に粉末を使用する従来の汎用的なプラズマ溶射装置の主要な部分を図示したものである。

図７において、陰極２を有する陰極ノズル３の軸上に放出口を有する外套１１と、絶縁物４によって同心に保持されており、絶縁物４に設けられたプラズマガス送入口５よりプラズマガス６が陰極２を保護すべく送入される。主電源７の負端子は、陰極２に接続され、主電源７の正端子は、スイッチ手段８を介して外套１１に接続されており、これらが全体として溶射ガン（プラズマ溶射装置）１を構成している。

図７において、プラズマガス送入口５より、プラズマガス６としてアルゴン等の不活性ガスを流し、スイッチ手段８を閉じて、主電源７の高周波により陰極２と外套１１との間で印加すると、陰極２の先端から外套１１の放出口に向かってプラズマアーク２２が形成され、これによってプラズマガス６が加熱され、プラズマアーク２２となって外套１１の先端より放出される。

この時、溶射ガン１上に設けられた材料送入管２８により搬送された粉体の溶射材料２９は、プラズマアーク２２軸に交叉する方向で高温のプラズマフレーム２３中に送入される。そこで前記溶射材料２９は、プラズマフレーム２３の熱により、溶融粒子２４となって、プラズマフレーム２３に同伴されながら、あまり広がらないで母材（被溶射物）２７に向かって進行し、溶融粒子２４は母材２７に衝突し、溶射皮膜２６を形成する。

以上の説明では、陰極ノズル３及び外套４の内面は、通常何れも二重構造となっており、その内部を水等の循環によって冷却されているが、これは省略し図示していない。尚、以下の説明においては、各該当の冷却システムは何れもこれを省略する。

図８に示したのは、溶射材料に導電性のワイヤーを使用する従来の汎用的なプラズマ溶射装置の主要な部分を図示したものである。図８において、陰極２を有する陰極ノズル３の軸上に放出口を有する外套１１及び第二外套１５と、絶縁物４及び絶縁物１２によって同心に保持されている。

この時、絶縁物４にはプラズマガス送入口５が設けられ、該送入口５からプラズマガス６を送入することにより陰極２を保護する。また、絶縁物１２には第二プラズマガス送入口１３が設けられ、該送入口１３から第二プラズマガス１４を送入する。

主電源７の負端子は、陰極２に接続され、主電源７の正端子は、スイッチ手段８を介して外套１１、スイッチ手段１０を介して導電性ワイヤー２１に接続されており、これらが全体として溶射ガン１を構成している。

図８において、プラズマガス送入口５より、プラズマガス６としてアルゴン等の不活性ガスを流し、スイッチ手段８を閉じて、主電源７の高周波により陰極２と外套１１との間で印加すると、陰極２の先端から外套１１の放出口に向かってプラズマアーク２２が形成され、これによってプラズマガス６が加熱され、プラズマアーク２２となって外套１１の先端より放出される。

次に、スイッチ手段１０を閉じて、スイッチ手段８を開くことによって、プラズマアーク２５の陽極点２２は、外套１１から導電性ワイヤー２１へと移行し、瞬時に高温のプラズマアーク２５により導電性ワイヤー２１は溶融するとともに絶縁物１２に設けられた第二プラズマガス送入口１３から送入された多量の第二プラズマガス１４によって吹きつけられ細かい溶融粒子２４となり、プラズマレーム２３に同伴されながら、あまり広がらないで母材（被溶射物）２７に向かって進行し、溶融粒子２４は母材２７に衝突し、溶射皮膜２６を形成する。

この発明が解決しようとする第一の課題は、従来のプラズマ溶射装置では、まず使用する溶射材料として、粉末かワイヤー（線材）かで大別され、両方を使用したい時は、それぞれのプラズマ溶射装置が必要となり、イニシャルコストがかさみ、保管スペースも増えることである。

この発明は、上記事情に鑑み、溶射材料としてワイヤー使用を基本構成にし、一部の部品を脱着、交換することで溶射材料に粉末でも使用できるようにすることを目的とする。

この発明は、陰極を有する陰極ノズルの軸上に、放出口を有する複数の外套を、絶縁物を介して直列に連設し、その先頭の外套を金属などの導電性ワイヤーが供給される導電性ワイヤー溶射用外套とし、その他の外套を粉体溶射用外套とし、前記粉体溶射用外套と前記導電性ワイヤー溶射用外套を着脱可能に連結するとともに、セラミックスなどの粉体を供給する粉体供給手段を設けたことを特徴とする。

この発明の前記導電性ワイヤーは、ワイヤー供給手段を介して前記導電性ワイヤー溶射用外套の放出口の内部、又は、前記放出口の外側近傍に供給されることを特徴とする。この発明の前記ワイヤー供給手段は、前記導電性ワイヤーをプル及びプッシュする機能を備えていることを特徴とする。この発明の前記複数の外套は、粉体溶射用外套である第一外套及び第二外套と、導電性ワイヤー溶射用外套である第三外套とからなることを特徴とする。

この発明の前記外套の絶縁物には、プラズマガスを旋回流にする旋回流形成孔が形成されていることを特徴とする。この発明の前記粉体溶射用外套の放出口は、アクセルノズルにより形成されることを特徴とする。この発明のアクセルノズルは、前記粉体溶射用外套に着脱されることを特徴とする。

この発明は、以上のように構成したので、粉体溶射用外套に導電性ワイヤー溶射用外套を着脱することにより、溶射材料として電導性ワイヤー、又は、粉体を用いることができる。そのため、１台で前記両方の溶射材料を使用することができるので、従来例に比べ、保管スペースが小さくて済む。

又、本プラズマ溶射装置の主たる使用用途は、現場溶射であるが、今まで高価で現場施工が難しい大がかりであったプラズマ溶射装置が、本発明により、簡素化されイニシャルコスト及びランニングコストを下げることが出来、保守・点検も容易となるとともに、そのシステム構成は、極力コンパクト化され、移動、移設を容易にすることができる。

本発明の第１実施形態を示す縦断面図である。第１実施形態の使用状態を示す断面図である。図１のａ―ｂ線断面図である。ワイヤー供給手段の拡大正面図である。本発明の第２実施形態を示す縦断面図である。本発明の第３実施形態を示す縦断面図である。第１の従来例を示す正面図である。第２の従来例を示す正面図である。

この発明の第１実施形態を第１図〜図４により説明する。図１に示したのは、溶射材料として、例えば、金属、カーボン、サーメットなどの電気を通すワイヤー、即ち、導電性のワイヤー、を使用するプラズマ溶射装置の主要な部分を図示したものである。

図１において、陰極２を有する陰極ノズル３の軸上に放出口を有する第一外套１１、第二外套１５及び第三外套１９と、旋回流ガス形成手段３０を有する絶縁物４、絶縁物１２及び絶縁物１６によって同心に保持されている。前記第三外套１９は、溶射材料として導電性ワイヤーを用いる場合に第二外套１５に連結される外套で、所謂「導電性ワイヤー溶射用外套」ということができる。又、第一及び第二外套１１，１５は、セラミックなどの粉体を溶射材料とする場合に用いられる外套で、所謂「粉体溶射用外套」ということができる。前記第二外套１５と前記第三外套１９は、ねじなどの着脱手段（図示省略）により連結されている。

図３に示された如くプラズマガス送入口５よりプラズマガス６がまずガス環状室３１へ送入され、絶縁物４に形成された１つの旋回流形成孔３２或いは等分に配置された複数個の旋回流形成孔３２を通って、絶縁物４の内壁３３を旋回するように矢印３４の如く送入される。同様に、第二プラズマガス１４及び第三プラズマガス１８も、それぞれ絶縁物１２、絶縁物１６の内壁を旋回すべく送入される。

主電源７の負端子は、陰極２に接続され、主電源７の正端子は、スイッチ手段８を介して第一外套１１、スイッチ手段９を介して第二外套１５に接続され、そしてスイッチ手段１０を介して第三外套１９に接続され、これらが全体として溶射ガン（プラズマ溶射装置）１を構成している。

図１において、プラズマガス送入口５より、プラズマガス６としてアルゴン等の不活性ガスを流し、スイッチ手段８を閉じて、主電源７の高周波により陰極２と外套１１との間で印加すると、陰極２の先端から第一外套１１の放出口に向かってプラズマアーク２２が形成され、これによってプラズマガス６が加熱され、プラズマアーク２２となって外套１１の先端の放出口（狭窄孔）１１ａより放出される。

次に、スイッチ手段９を閉じて、スイッチ手段８を開くことによって、プラズマアーク２５の陽極点２２は第一外套４から第二外套１５へと移行し、絶縁物１２に設けられた第二プラズマガス送入口１３から送入される第二プラズマガス１４により、プラズマアークは放出口１５ａを通り更に伸張する。

そして、最後にスイッチ手段１０を閉じて、スイッチ手段９を開くことによって、陽極点２２は、第三外套１９を通り放出口１９ａの内部に露出している導電性ワイヤー２１の先端に移行し、瞬時に高温のプラズマアーク２５により導電性ワイヤー２１は溶融する。

この様に陽極を２点以上有し、陽極点を移行させることで、陰極２から陽極（外套１１，１５、２１）までの電位差を１００Ｖ以上高め、高電圧低電流特性で電極の損耗を低減することができる。又、前記絶縁物４，１２，１６に旋回流形成手段（旋回流形成孔３２）が設けられているので、プラズマアークの回りには強い旋回流が形成される。そのため、プラズマのサーマルピンチ効果（熱集中性）を高めると共に、溶射トーチ１の冷却損失を軽減することが出来る。

前記溶融した溶射材料は、前記絶縁物１６に設けられた第三プラズマガス送入口１７から送入された多量の第三プラズマガス１８によって吹きつけられ細かい溶融粒子２４となり、プラズマレーム２３に同伴されながら、あまり広がらないで母材（被溶射物）２７に向かって進行し、溶融粒子２４は母材２７に衝突し、溶射皮膜２６を形成する。

この時、導電性ワイヤー２１は、任意の一定の速度で前記ワイヤー供給手段２０から供給される。前記ワイヤー供給手段２０は、図４に示すように、前記ワイヤーを確実に掴み供給すべく、一つの駆動モーター３５によって、ワイヤープル用ホイールギア３７とワイヤープッシュ用ホイールギア３９の２つを駆動モーター３５上のギア３６によって回転し、前記ワイヤー２１は、滑らないようにそれぞれプル用ピンチロール３８とプッシュ用ピンチロール４０を設けている。尚、以下の説明においては、各該当のワイヤー供給手段２０は何れもこれを省略する。

次に、溶射材料として、粉体材料を用いる場合について説明する。図２は、溶射材料にセラミックス材料などの粉末を使用する場合のプラズマ溶射装置の主要な部を図示したものであるが、基本的には図１のプラズマ溶射装置１から第三外套（導電性ワイヤー溶射用外套）１９と絶縁物１６を取り外しただけのものである。

プラズマ溶射装置１上に設けられた粉体材料送入管２８から粉末材料２９が第二外套１５の放出口１５ａから放出される高温のプラズマフレーム２３中に送入され、粉末材料２９は、溶融され溶融粒子２４となって、プラズマレーム２３に同伴されながら、あまり広がらないで母材（被溶射物）２７に向かって進行し、溶融粒子２４は前記母材２７に衝突し、溶射皮膜２６を形成する。

この様に、導電性ワイヤー溶射用外套を取り外すだけで簡単に粉体材料を溶射することができる。そのため、１台のプラズマトーチ１で、溶射材料として、金属などの導電性ワイヤーと、セラミックなどの粉体を使用できるので、簡素化されイニシャルコスト及びランニングコストを下げることが出来、保守・点検も容易となる。

この発明の第２実施形態を図５により説明するが、図１〜図４と同一符号はその名称も機能も同一である。第１実施形態との相違点は、電源及びワイヤー供給手段である。即ち、この実施形態では、導電性ワイヤー２１を第三外套１９の内壁から供給するのではなく、プラズマ溶射装置１の外部から第三外套１９の放出口１９ａの外側近傍に供給するもので、溶射皮膜２６の形成動作としては、前記第実施形態と同様である。

また、導電性ワイヤー２１の融点が高く、或いは導電性ワイヤー２１の径を大きくしたり、供給速度を上げて溶射量を大幅に増やしたい場合は、溶射出力を上げるべく更に補助電源４２を増設できるシステムになっている。

この発明の第３実施形態を図６により説明するが、図１〜図４と同一符号はその名称も機能も同一である。この実施形態では、主な目的として緻密な溶射皮膜２６が要求される場合、このニーズに応ずるため、溶融粒子２３を加速すべく第二外套１５に脱着可能なアクセルノズル４１を設けたものである。このアクセルノズル４１の吐出し部４１ａの内壁は、プラズマアーク２２の陽極点２５を受けることもあって、強力な水冷手段（図示省略）を有している。

このアクセルノズル４１は、第二外套１５の放出口（吐出し部）に位置しており、吐出し部４１ａの径と長さの変化で溶射トーチ１内の圧力が変化し、結果的にプラズマ速度を変化させることができる。例えば、内径が同一で長さの異なるＡアクセルノズル（例えば、長さ１０mm）とＢアクセルノズル（例えば、長さ２０mm）では、当然Ｂアクセルノズルの方が内圧が上がり、プラズマ速度も増加するが、電位差が大きくなり、出力も増加する。そのため、アクセルノズルBの負荷は大きくなるので、より冷却強化が必要となる。前記アクセルノズル４１は、用途に応じて最適な吐出し口の径（吐出し径）と吐出し口の長さ（吐出し長さ）のものを使用しなければならない。

１溶射ガン
２陰極
３陰極ノズル
４絶縁物
６プラズマガス
１１第一外套
１１ａ放出口
１２絶縁物
１４第二プラズマガス
１５第二外套
１６絶縁物
１８第三プラズマガス
１９第三外套
１９ａ放出口
２０ワイヤー供給手段
２１導電性ワイヤー
２２プラズマアーク
２３プラズマフレーム
２８材料材料供給管
２９粉末材料
３０旋回流ガス形成手段
３２旋回流形成孔
４１アクセルノズル
４１ａ吐出し口

Claims

陰極を有する陰極ノズルの軸上に、放出口を有する複数の外套を、絶縁物を介して直列に連設し、
その先頭の外套を金属などの導電性ワイヤーが供給される導電性ワイヤー溶射用外套とし、その他の外套を粉体溶射用外套とし、
前記粉体溶射用外套と前記導電性ワイヤー溶射用外套を着脱可能に連結するとともに、セラミックスなどの粉体を供給する粉体供給手段を設けたことを特徴とするプラズマ溶射装置。
前記導電性ワイヤーの先端部は、ワイヤー供給手段を介して前記導電性ワイヤー溶射用外套の放出口の内部、又は、該放出口の外側近傍に供給されることを特徴とする請求項１記載のプラズマ溶射装置。
前記ワイヤー供給手段は、前記導電性ワイヤーをプル及びプッシュする機能を備えていることを特徴とする請求項１記載のプラズマ溶射装置。
前記複数の外套は、粉体溶射用外套である第一外套及び第二外套と、導電性ワイヤー溶射用外套である第三外套と、からなることを特徴とする請求項１記載のプラズマ溶射装置。
前記外套の絶縁物には、プラズマガスを旋回流にする旋回流形成孔が形成されていることを特徴とする請求項１記載のプラズマ溶射装置。
前記粉体溶射用外套の放出口は、アクセルノズルにより形成されていることを特徴とする請求項４記載のプラズマ溶射装置。
前記アクセルノズルは、前記粉体溶射用外套に着脱可能に設けらていることを特徴とする請求項６記載のプラズマ溶射装置