JPH02290959A - プラズマ溶射装置 - Google Patents

プラズマ溶射装置

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JPH02290959A
JPH02290959A JP1107442A JP10744289A JPH02290959A JP H02290959 A JPH02290959 A JP H02290959A JP 1107442 A JP1107442 A JP 1107442A JP 10744289 A JP10744289 A JP 10744289A JP H02290959 A JPH02290959 A JP H02290959A
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JP
Japan
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plasma
laser beam
plasma jet
thermal spraying
carrier gas
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Tsutomu Oki
勉 大木
Katsunori Muraoka
克紀 村岡
Tsuyoshi Shinoda
篠田 強志
Nobuo Tajima
田島 伸夫
Masamichi Koga
古賀 正実知
Hiroshi Takigawa
浩 滝川
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Nippon Steel Corp
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明はプラズマジェット中の溶射材料の粒子数密度分
布を観測し、プラズマシェットの中央に溶射材料か集中
するように溶射材料の搬送ガス量を制御するプラズマ溶
射装置に関する。
[従来の技術] 一般に、プラズマ溶射は、部品材料表面に耐摩耗性、耐
熱性、耐食性を与えるための金属、セラミック、あるい
はサーメットを被覆する方法として知られており、「工
業加熱J Vo.25, No.5, P8〜P14に
具体的な説明がなされている。プラズマ溶射は通常、第
5図に示す装置構成で後述するような態様で行われてい
る。第5図において1はプラズマ溶射ガン本体で、主に
カソ一ド(以下タングステン電極という)2と、アノー
ド(以下水冷銅電極)3と、プラズマガス供給口4およ
び溶射材料供給口5,6で構成される。タングステン電
極2と水冷銅電極3は絶縁体7によって電気的に分離さ
ね、タングステン電極2は直流電源8の負極に、水冷銅
電極3は正極にそれぞれ接続されている。9はプラズマ
ガス(通常はアルゴン、ヘリウム、水素、窒素など)を
貯蔵し、プラズマガス供給口に送給するガスボンへであ
り、10及び12は溶射材料をためておく気密性のホッ
パー、1l及びl3は溶射材料をそれぞれの溶射材料供
給口5.6へ送給するための搬送ガス(Ar等)ボンベ
である。
」ニ記の装置において、ます、プラズマガスボンベ9か
らプラズマガス供給口4を通してプラズマガスを供給し
、直流電源8によりタングステン電V52と水冷銅電礪
3の間にプラズマアークを発生させる。このアークとプ
ラズマガスとの熱交換により、プラズマシエット15と
なってプラズマ溶射ガン!より噴射する。被溶射母材1
4は予めその溶射面をブラスト等を施し、所定の位置に
設置する。その後、溶射材料供給口5、6からはホッパ
−10、12内の溶射材料を搬送ガスボンへ11、13
がらのガスにより上記のプラズマジェット15中に供給
し、被溶射母材I4に溶射されて、溶射被膜19が禎層
ざれる。
ここで満足できる溶射被膜の品質を達成するためには、
溶射材料供給口5、6から投入された溶射材料がプラズ
マジェットの中央を飛行し,かつ十分溶融する時間が必
要てある。なぜならプラズマジェットの温度はプラズマ
ジェットの周辺部に行くにつれて急激に低下するため、
・周辺部を飛行する溶射材料は被溶射母材に達するまで
の時間内に溶融できずに未溶融のまま被溶射母材上に積
層し、被膜品質を低下させるためである。
またここで溶射に用いられるプラズマガスの流量、プラ
ズマガスに用いるアルゴンとヘリウムまたはアルゴンと
水素の混合比、ならびに投入電力は溶射材料毎に異なる
。何故ならばプラズマジェットの密度や速度が違うこと
で、各々の条件毎に溶射材料の入り方も違クて来るため
である。それ故に搬送ガス量が多すぎるときは溶射材料
がプラズマジェットを突き抜けてしまうし、少なすぎる
ときはプラズマジェットに入りきれずはね返されてしま
う。
そこでこれまでは、溶射材料毎に異なる、プラズマガス
の流量や混合比及び投入電力の条件に合わせて、溶射材
料の搬送ガス量を経験に基づき変化させ、その際の溶射
被膜品質との関係で最適搬送ガス量を決定していた。そ
の最適搬送ガス量の決定のためにはサンプル溶射が数回
必要で、またサンプル溶射一回毎に被膜形状と被膜品質
の検査を行っていた。
[発明が解決しようとする課題] 上記溶射法においては、最適搬送ガス量を決定するだめ
のサンプル溶射一回毎に、被溶射母材の作製から溶射後
の被j摸形状と被膜品質の検査を行うため数日を必要と
している。そのため実際の溶射に至るまでに数回行うサ
ンプル溶射に要する労力と費用が多大なものとなフてし
まう問題点があった。
本発明はこのような問題点を解決し、極めて効率的でか
つ安価なコストにてプラズマ溶射を実施することが可能
な装置を提供することを目的とする。
[課題を解決するための手段コ 本発明は上記の目的を達成するため次のように構成して
なる。すなわち 1.プラズマジェット中に、搬送ガスにょり溶射材料を
投入し、プラズマの熱で溶融された溶射材料を母材の表
面に積層する溶射装置に於て、プラズマジェットに対向
して、片側にはレーザ発振器とレーザビーム拡大装置を
設け、反対側にはレーザビーム集光装置とその焦点位置
にアパチャーと該アパチャー後方に受光センサーを設け
ると共に、信号取込装置、アーベル変換装置を設けたこ
とを特徴とするプラズマ溶射装置。
2.プラズマジェット中に、搬送ガスにより溶射材料を
投入し、プラズマの熱で溶融された溶射材料を母材の表
面に積層する溶射装置に於て、プラズマジェットに対向
して、片側にはレーザ発振器、レーザビーム拡大装置、
ハーフミラーを設け、反対側には全反射ミラーを設け、
全反射ミラーで反射さわた後ハーフミラーで折曲げられ
たレーザビームの通過位置にレーザビーム集光装置とそ
の焦点位置にアパチャーと該アパチャー後方に受光セン
サーを設けると共に、信号取込装置、アーベル変換装置
を設けたことを特徴とするプラズマ溶射装置。
3.プラズマジェット中に、搬送ガスにより溶射材料を
投入し、プラズマの熱で溶融された溶射材料を母材の表
面に積層する溶射装置に於て、観測された溶射材料の粒
子密度分布を用いて、溶射材料の搬送ガス量をA節する
ための制御装置を設けたことを特徴とする、上記1項あ
るいは2項記載のプラズマ溶射装置。
である。
[作川] 従って本発明の作用を第1図並びに第2図を用いて説明
する。すなわち、レーザ発振器20で作られたレーザビ
ーム26はレーザビーム拡大装置により、平行先のまま
直経が広げられた後、プラズマジェットに照射される。
プラズマジェットを通過したレーザビームは透過後その
ままか又は全反射ミラー30とハーフミラー3lで反射
された後レーザービーム集光装置て絞られ、その焦点位
置に設置されたアパチャー24で計測誤差となる散乱光
がカットされ、その光強度が受光センサー25で計測さ
れる。プラズマジェット15中を溶射材料X8が飛行し
ているときは、レーザビーム15か溶射材料により遮光
されてその光強度が減衰する。この減衰率を受光センサ
ー25で計測し信号取込装置27内に記憶され、その後
アーベル変換装置29内てアーベル変換を行うことによ
り、プラズマジェット中の溶射材料の粒子数密度分布が
明らかとなる。その結果を用いてプラズマジェット中心
部分て溶射材料の粒子数密度分布か最大となるように溶
射材料の搬送ガス量を制御する。又は制御装置28と流
調弁l6、l7の組合せにより、プラズマジェット中心
部分の溶射材料の粒子数密度か最大となるように搬送ガ
ス量が制御される。
[実施例] 以下に本発明の実施の一例を図面に基づいて説明する。
第1図においてレーザ発振器20から射出されたレーザ
ビーム26は、凸レンズ21と凸レンズ22を組合わせ
たレーザビーム拡大装置により、平行光のままその直径
がプラズマジェットの断面積以上に拡大される。ここで
レーザ発振器20は連続発振でもパルス発振でも構わな
い。またレーザビーム拡大装置は平行光のままその直径
がプラズマジェットの断面禎以上に拡大されるものであ
ればレンズ単体、ミラー単体またはそれらの組合せであ
っても構わない。レーザビームの直径は、例えばプラズ
マジェットの断面積の平均が2 0+++mであればそ
の断面禎に変動かあっても計測できるように、3 0m
m以上が望ましい。
拡大されたレーザヒームはプラズマジェット15を透過
し、レーザビーム集光装置である凸レンズ23により絞
られる。レーザビーム集光装置はレンズ単体、ミラー単
体またはそれらの組合せであっても構わない。凸レンズ
23の焦点位置には、溶射材料によるレーザビーム26
の散乱光が計測値に影習を及ぼさないように遮光するた
めのアパチャー24が設置さわている。ここでアパチャ
ー24は表面か艶消しの黒色で、中央に直径1mm程度
のビンホールを開けた薄い金属板である。アバチャ−2
4を通過したレーザ光の強度は受光センサー25で電気
信号に変化され信号取込装置27に記憶される。この受
光センサー25は光強度を電気信号に変換するものなら
どのようなものでも構わない。
プラズマジェットl5中に溶射材料1Bを投入した場合
、その溶射材料18により遮光されてレーザ光強度が減
衰する。その減衰量は溶射材料の密度および通過距離と
相関かあるため、レーザ光が溶射材料密度の高い所を長
い距離通過するほどレーザ光強度の減衰率か大きくなる
。プラズマジェット15中に溶射材料l8を投入する前
と後の計測結果を第3図(b)に示す。計測されたレー
ザ光強度の減衰率ヲ用イて、アーベル変換装置29内で
アーベル変換(ある物理量ε(r)が回転対称性を持っ
ていてしかも半径rだけの関数のとき、観測量1 (y
)からもとのε(『)を求める変換)を行うと、第4図
に示すような溶射材料の粒子数密度分布が得られる。こ
の結果を用いて手動で搬送ガス量を調整し、プラズマジ
ェットの中心部分の粒子数密度が最大となるようにする
。またはこの結果を制御装置28に取り込み、流調弁1
6. 17に開閉の信号を出すことで搬送ガス量を調節
し、プラズマ中心部分の粒子数密度が最大となるように
制御する。
プラズマジェットヘレーザビームを照射する方法として
は第2図に示すように、全反射ミラー30とハーフミラ
ー3lを用いる方法でも良い。具体的にはレーザ発振器
20から射出されたレーザビーム26は、凸レンズ2I
と凸レンズ22を組合せたレーザビーム拡大装置により
、平行光のままその直径がプラズマジェットの断而積以
上に拡大され、ハーフミラー31を透過し、プラズマジ
ェットl5に照射され、プラズマジェットに対向して置
かれた全反射ミラーで反射の後ハーフミラーで更に反射
され、レーザビーム集光装置である凸レンズ23により
絞られる。ここでハーフミラーは光を照射したときに光
量の半分が照射面で反射し残り半分か照射面を透過する
ものである。
凸レンズ23の焦点位置には、アパチャ−24か設置さ
れ、アパチャー24を通過したレーザ光の強度は受光セ
ンサー25で電気信号に変換されイ8号取込装置27に
記憶される。記憶された信号はアーベル変換装置29内
でアーベル変換され、溶射材料の粒子数密度分布が得ら
える。この結果を用いて手動で搬送ガス量を調整し、プ
ラズマジェットの中心部分の粒子数密度か最大となるよ
うにする。またはこの結果を制御装置28に取り込み、
流調弁+6.l7に開閉の信号を出すことで搬送ガス量
を調節し、プラズマ中心部分の粒子数密度が最大となる
ように制御する。
[発明の効果] 以上説明したような本発明の構成のために、プラズマ中
を飛行する溶射材料の粒子密度を観測し、その値を用い
て最適搬送ガス量を決定することが可能となった。その
ためこれまで数回行っていてサンプル溶射用の被溶射母
材の作製と溶射後の被膜形状と被膜品質の検査がなくな
フたことで、費用と労力の削減が行われた。
【図面の簡単な説明】
第1図、第2図は本発明の一実施例である。第3図(a
)は計測システムの平面図、(b)はその計測結果であ
る。第4図はアーベル変換により計算された粒子数密度
分布を表すグラフである。第5図は従来のプラズマ溶射
法を説明する図である。 1・・・溶射ガン、2・・・タングステン電極、3・・
・水冷銅電極、4・・・プラズマガス供給口、5,6・
・・溶射材料供給口、7・・・絶縁体、8・・・直流電
源、9・・・プラズマガスボンへ、10. 12・・・
溶射材料ポッパ11, +3・・・搬送ガスボンベ、1
4・・・被溶射母材、15・・・プラズマジェット、1
6. 17・・・流調弁、18・・・溶射材料、19・
・・溶射被膜、2o・・・レーザ発振器、2+,22.
 23・・・レンズ、24・・・アパチャー、25・・
・受光センサー、26・・・レーザビーム、27・・・
信号取込装置、28・・・制御装置、29・・・アーベ
ル変換装置、3o・・・全反射ミラー、31・・・ハー
フミラー

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、プラズマジェット中に、搬送ガスにより溶射材料を
    投入し、プラズマの熱で溶融された溶射材料を母材の表
    面に積層する溶射装置に於て、プラズマジェットに対向
    して、片側にはレーザ発振器とレーザビーム拡大装置を
    設け、反対側にはレーザビーム集光装置とその焦点位置
    にアパチャーと該アパチャー後方に受光センサーを設け
    ると共に、信号取込装置、アーベル変換装置を設けたこ
    とを特徴とするプラズマ溶射装置。 2、プラズマジェット中に、搬送ガスにより溶射材料を
    投入し、プラズマの熱で溶融された溶射材料を母材の表
    面に積層する溶射装置に於て、プラズマジェットに対向
    して、片側にはレーザ発振器、レーザビーム拡大装置、
    ハーフミラーを設け、反対側には全反射ミラーを設け、
    全反射ミラーで反射された後ハーフミラーで折曲げられ
    たレーザビームの通過位置にレーザビーム集光装置とそ
    の焦点位置にアパチャーと該アパチャー後方に受光セン
    サーを設けると共に、信号取込装置、アーベル変換装置
    を設けたことを特徴とするプラズマ溶射装置。 3、プラズマジェット中に、搬送ガスにより溶射材料を
    投入し、プラズマの熱で溶融された溶射材料を母材の表
    面に積層する溶射装置に於て、観測された溶射材料の粒
    子密度分布を用いて、溶射材料の搬送ガス量を調節する
    ための制御装置を設けたことを特徴とする、請求項1あ
    るいは2記載のプラズマ溶射装置。
JP1107442A 1989-04-28 1989-04-28 プラズマ溶射装置 Granted JPH02290959A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5601235A (en) * 1993-12-04 1997-02-11 United Kingdom Atomic Energy Authority Aerosol generator
EP1479788A1 (de) * 2003-05-23 2004-11-24 Sulzer Metco AG Hybrides Verfahren zum Beschichten eines Substrats durch ein thermisches Aufbringen der Beschichtung
WO2009008478A1 (ja) * 2007-07-10 2009-01-15 National University Corporation Gunma University 音響計測装置及び音響計測方法

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US8107061B2 (en) 2007-07-10 2012-01-31 National University Corporation Gunma University Acoustic measurement device and acoustic measurement method

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