JPH05468B2 - - Google Patents
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- JPH05468B2 JPH05468B2 JP1316926A JP31692689A JPH05468B2 JP H05468 B2 JPH05468 B2 JP H05468B2 JP 1316926 A JP1316926 A JP 1316926A JP 31692689 A JP31692689 A JP 31692689A JP H05468 B2 JPH05468 B2 JP H05468B2
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- Japan
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- gas
- particles
- wire
- laser
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Description
【発明の詳細な説明】
＜産業上の利用分野＞
この発明はレーザ溶射用ノズルに関する。
＜従来の技術＞
線材（ワイヤ）を溶射材とするレーザ溶射法は
本出願人が開発したもので、これまでに特開昭61
−264168、特開昭62−177166（特許第1516092号）
および特開平１−215961の三件を特許出願してい
る。
本出願人が開発したもので、これまでに特開昭61
−264168、特開昭62−177166（特許第1516092号）
および特開平１−215961の三件を特許出願してい
る。
これらの発明において、用いるガスノズルは、
円形またはリング状であるが、二重ノズルではな
い。
円形またはリング状であるが、二重ノズルではな
い。
＜発明が解決しようとする課題＞
線材（ワイヤ）を溶射材とするレーザ溶射法に
おいて、溶融部を吹き飛ばして微粒子状にするた
めのガスを噴出するノズルは、溶融微粒子をでき
るだけ高速で被溶射材（基材）に衝突させるため
に、その口径を小さくしてガス噴流の速度を大き
くする必要がある。口径を大きくする程ガスの消
耗量が増大することを避けるためにである。しか
しながら、前述の円形またはリング状ノズルだけ
では、噴出するガスの流速の直径が小さいため、
以下に述べるような問題が生じる。その第１は、
溶融微粒子群は、線材の溶融部を頂点とする円錐
形状となつて飛行するが、円錐の頂角が大きくな
ることである。そのために、円錐の中心部を飛行
する粒子は基材に垂直に衝突して効率よく溶射膜
を形成するが、円錐の周辺部を飛行する粒子は基
材表面に対して斜め方向から衝突するため、基材
に付着せずに跳ね返る粒子が多くなり溶射効率を
下げることになる。第２には、円錐の周辺部を飛
行する粒子の直径が大きくなることである。その
理由は次のように考えられる。レーザ溶射におい
て、レーザ出力、ガス圧力、線材の送給速度など
の溶射パラメータを一定にすると、溶融粒子の粒
径は、一定の値を平均値とする正規分布になる。
このような粒径分布をする粒子群が、前述したガ
スの流束内でとる挙動は、ある粒径以下の粒子は
ガス流に沿つて飛行するが、それより大きい粒子
は、線材の溶融部から放出されたときの速度ベク
トルと、放出部でのガスの速度ベクトルとの合成
ベクトルをほぼ維持することによる。このため、
円錐の周辺部を飛行する粒子の直径が大きくな
り、基材を移動させながら溶射膜を形成させよう
とするとき、粗い粒子のうえに細かい粒子が積層
される結果、溶射膜が均一組成にならず、摩耗特
性を劣化させることが判明している。すなわち、
前述の均一組成ではない溶射膜と、同じ溶射条件
で、周辺部の粗い粒子を除去した溶射膜とを比較
すると、後者の方が優れた耐摩耗特性を示す。周
辺部の粗い粒子を除去するためには、円錐状に飛
行する粒子群の中に、円形の穴をあけた金属板
（マスク）を挿入すれば良いが、マスクに付着す
る粒子が多くなるとこれを除去する必要があると
か、また、溶射効率が悪くなるとかの新たな問題
が生じる。本発明者等は、これらの問題点を解決
するためには、ガスを噴出するノズルに問題があ
ると考えてこの発明に至つた。
おいて、溶融部を吹き飛ばして微粒子状にするた
めのガスを噴出するノズルは、溶融微粒子をでき
るだけ高速で被溶射材（基材）に衝突させるため
に、その口径を小さくしてガス噴流の速度を大き
くする必要がある。口径を大きくする程ガスの消
耗量が増大することを避けるためにである。しか
しながら、前述の円形またはリング状ノズルだけ
では、噴出するガスの流速の直径が小さいため、
以下に述べるような問題が生じる。その第１は、
溶融微粒子群は、線材の溶融部を頂点とする円錐
形状となつて飛行するが、円錐の頂角が大きくな
ることである。そのために、円錐の中心部を飛行
する粒子は基材に垂直に衝突して効率よく溶射膜
を形成するが、円錐の周辺部を飛行する粒子は基
材表面に対して斜め方向から衝突するため、基材
に付着せずに跳ね返る粒子が多くなり溶射効率を
下げることになる。第２には、円錐の周辺部を飛
行する粒子の直径が大きくなることである。その
理由は次のように考えられる。レーザ溶射におい
て、レーザ出力、ガス圧力、線材の送給速度など
の溶射パラメータを一定にすると、溶融粒子の粒
径は、一定の値を平均値とする正規分布になる。
このような粒径分布をする粒子群が、前述したガ
スの流束内でとる挙動は、ある粒径以下の粒子は
ガス流に沿つて飛行するが、それより大きい粒子
は、線材の溶融部から放出されたときの速度ベク
トルと、放出部でのガスの速度ベクトルとの合成
ベクトルをほぼ維持することによる。このため、
円錐の周辺部を飛行する粒子の直径が大きくな
り、基材を移動させながら溶射膜を形成させよう
とするとき、粗い粒子のうえに細かい粒子が積層
される結果、溶射膜が均一組成にならず、摩耗特
性を劣化させることが判明している。すなわち、
前述の均一組成ではない溶射膜と、同じ溶射条件
で、周辺部の粗い粒子を除去した溶射膜とを比較
すると、後者の方が優れた耐摩耗特性を示す。周
辺部の粗い粒子を除去するためには、円錐状に飛
行する粒子群の中に、円形の穴をあけた金属板
（マスク）を挿入すれば良いが、マスクに付着す
る粒子が多くなるとこれを除去する必要があると
か、また、溶射効率が悪くなるとかの新たな問題
が生じる。本発明者等は、これらの問題点を解決
するためには、ガスを噴出するノズルに問題があ
ると考えてこの発明に至つた。
＜問題を解決するための手段＞
この発明のレーザ溶射用ノズルは、溶射材であ
る線材とその溶融部を微粒子状にして吹き飛ばす
ためのガスとを送給するノズルを一体のものと
し、かつ、線材の出口の周囲を二重のリング状の
ノズルで囲むことを特徴とする。
る線材とその溶融部を微粒子状にして吹き飛ばす
ためのガスとを送給するノズルを一体のものと
し、かつ、線材の出口の周囲を二重のリング状の
ノズルで囲むことを特徴とする。
＜作用＞
この発明は、レーザ溶射用ノズルのワイヤ出口
周囲に設けた二重ノズルすなわちワイヤに近いノ
ズル（内側ノズル）及びその周囲に設けたノズル
（外側ノズル）には、それぞれ単独でガス圧力を
制御したガス供給装置からガスが供給され、少な
いガス消費量で溶融微粒子の発散を抑え、溶射効
率を高めることができる。
周囲に設けた二重ノズルすなわちワイヤに近いノ
ズル（内側ノズル）及びその周囲に設けたノズル
（外側ノズル）には、それぞれ単独でガス圧力を
制御したガス供給装置からガスが供給され、少な
いガス消費量で溶融微粒子の発散を抑え、溶射効
率を高めることができる。
＜実施例＞
第１図にレーザ溶射用ノズルの断面の概略図を
例示する。線材（ワイヤ）は、レーザ溶射用ノズ
ルの中心部を通つてワイヤ出口２から送り出され
る。内側ガス供給口５及び外側ガス供給口６から
供給されたガスはそれぞれ内側ノズル３及び外側
ノズル４から噴出する。
例示する。線材（ワイヤ）は、レーザ溶射用ノズ
ルの中心部を通つてワイヤ出口２から送り出され
る。内側ガス供給口５及び外側ガス供給口６から
供給されたガスはそれぞれ内側ノズル３及び外側
ノズル４から噴出する。
第２図はこの発明の一実施例を示すもので、こ
の図において、レーザ溶射用ノズル１から送給さ
れた線材（ワイヤ）８は、上記ノズル１のワイヤ
出口を通つて、レンズ等で集束されたレーザ光線
７の高エネルギ密度部に挿入される。挿入位置
は、必ずしも焦点近傍とは限らず、ワイヤの種
類、線径、供給速度、レーザ出力及びガスの種類
によつて適宜選べる。
の図において、レーザ溶射用ノズル１から送給さ
れた線材（ワイヤ）８は、上記ノズル１のワイヤ
出口を通つて、レンズ等で集束されたレーザ光線
７の高エネルギ密度部に挿入される。挿入位置
は、必ずしも焦点近傍とは限らず、ワイヤの種
類、線径、供給速度、レーザ出力及びガスの種類
によつて適宜選べる。
溶融したワイヤの先端部は内側ノズル３から噴
出するガス流によつて微粒子状になり、円錐１１
の形に分散して飛行し、基材（被溶射材）９の表
面に溶射膜１０を形成する。この状態の時、外側
ノズル４からガスを噴出させると、飛行粒子の広
がり角２θが小さくなり、飛行粒子が基材に衝突
する最大角度θも小さくなる。第２図に示すdsは
溶射距離で、これが大きくなると溶射効率が悪く
なるが、溶融粒子の広がり角２θが小さくなれば
効率が良くなることから、２θを小さくすること
は、溶射効率を下げずに溶射距離を大きくとるこ
とができるという実用上の利点が生じる。
出するガス流によつて微粒子状になり、円錐１１
の形に分散して飛行し、基材（被溶射材）９の表
面に溶射膜１０を形成する。この状態の時、外側
ノズル４からガスを噴出させると、飛行粒子の広
がり角２θが小さくなり、飛行粒子が基材に衝突
する最大角度θも小さくなる。第２図に示すdsは
溶射距離で、これが大きくなると溶射効率が悪く
なるが、溶融粒子の広がり角２θが小さくなれば
効率が良くなることから、２θを小さくすること
は、溶射効率を下げずに溶射距離を大きくとるこ
とができるという実用上の利点が生じる。
第３図は、レーザ溶射用ノズルの内側ノズルの
ガス圧力Piを５及び８Kg／cm2に設定したときに、
外側ノズルから噴出させるガス圧力Poを変える
と、溶融微粒子の広がり角度２θが変化する様子
を示すものである。この場合のレーザ出力はマル
チモードタイプの炭酸ガスレーザ3kW、ワイヤ
は直径0.9mmの工業用純チタンワイヤで、その送
給速度は２ｍ／minである。ガスはアルゴンを用
いている。この図から明らかなように、内側ノズ
ルのガス圧力が５Kg／cm2のとき、外側ノズルから
ガスを流さないと、２θは44度であるが、外側ノ
ズルに８Kg／cm2の圧力でガスを流すと２θは23度
と約50％になる。内側ノズルのガス圧力を変えた
場合にも同様のことがいえ、内側ノズルのガス圧
力が小さいほど、外側ノズルの効果の大きいこと
をこの図は示唆している。
ガス圧力Piを５及び８Kg／cm2に設定したときに、
外側ノズルから噴出させるガス圧力Poを変える
と、溶融微粒子の広がり角度２θが変化する様子
を示すものである。この場合のレーザ出力はマル
チモードタイプの炭酸ガスレーザ3kW、ワイヤ
は直径0.9mmの工業用純チタンワイヤで、その送
給速度は２ｍ／minである。ガスはアルゴンを用
いている。この図から明らかなように、内側ノズ
ルのガス圧力が５Kg／cm2のとき、外側ノズルから
ガスを流さないと、２θは44度であるが、外側ノ
ズルに８Kg／cm2の圧力でガスを流すと２θは23度
と約50％になる。内側ノズルのガス圧力を変えた
場合にも同様のことがいえ、内側ノズルのガス圧
力が小さいほど、外側ノズルの効果の大きいこと
をこの図は示唆している。
第４図は、直径10mmのマスターをレーザ光線の
中心軸から、それぞれ30mm、20mm及び０mm離し
て、飛行粒子の中に置き、第２図に示した円錐の
周辺部を除去した場合の外側ノズルにかけるガス
圧力を溶射効率との関係を示すものである。ここ
で０mmとは、すなわちマスクを用いないことを意
味する。ガスはアルゴンを用い、内側ノズルにか
けるガス圧力は５Kg／cm2、溶射距離は100mmであ
る。被溶射材は、表面をサンドブラストした軟鋼
板で、その大きさは、縦横90mm厚さ3.2mmである。
レーザ出力3kW及びチタンワイヤの送給条件２
ｍ／minは、第３図の場合と同様である。この図
から、マスクを用いると溶射効率は低下するが、
外側ノズルにかけるガス圧力をあげるにしたがつ
て急速に効率が良くなることは明白である。マス
クを用いない場合は、外側ノズルのガス圧力の増
加に対して、溶射効率はあまり増加しないが、そ
れでも、外側のガス圧力を10Kg／cm2にすると、ガ
スを流さない場合と比較して３％程度効率が増大
している。ただし、図示していないが、溶射距離
を100mm以上にすると、効率の差は３％以上にな
る。
中心軸から、それぞれ30mm、20mm及び０mm離し
て、飛行粒子の中に置き、第２図に示した円錐の
周辺部を除去した場合の外側ノズルにかけるガス
圧力を溶射効率との関係を示すものである。ここ
で０mmとは、すなわちマスクを用いないことを意
味する。ガスはアルゴンを用い、内側ノズルにか
けるガス圧力は５Kg／cm2、溶射距離は100mmであ
る。被溶射材は、表面をサンドブラストした軟鋼
板で、その大きさは、縦横90mm厚さ3.2mmである。
レーザ出力3kW及びチタンワイヤの送給条件２
ｍ／minは、第３図の場合と同様である。この図
から、マスクを用いると溶射効率は低下するが、
外側ノズルにかけるガス圧力をあげるにしたがつ
て急速に効率が良くなることは明白である。マス
クを用いない場合は、外側ノズルのガス圧力の増
加に対して、溶射効率はあまり増加しないが、そ
れでも、外側のガス圧力を10Kg／cm2にすると、ガ
スを流さない場合と比較して３％程度効率が増大
している。ただし、図示していないが、溶射距離
を100mm以上にすると、効率の差は３％以上にな
る。
内側ノズルだけの場合、マスクを用いて得た溶
射膜の耐摩耗特性が、用いない場合のものより優
れていること、及びその原因についてはすでに述
べた。さらに、外側ノズルを併用した場合の溶射
膜の摩耗特性を調べた結果、マスクを用いた場合
とほぼ同程度の耐摩耗特性があることを見いだし
ている。溶射効率と耐摩耗特性とが同時に改善さ
れるためには、上記円錐の周辺部を飛行する粒径
の大きい粒子が円錐の中心部に押し込められて粒
子の広がり角２θが小さくなるだけではなく、平
均粒径が小さくなつていることを示唆する。そこ
で、溶射膜表面の粗さを調べて比較検討した。そ
の結果の一例を述べると、内側ノズルに５Kg／cm2
の圧力でガスを供給した場合、同条件でマスクを
用いた場合及び外側ノズルを併用しこれに５Kg／
cm2のガス圧力をかけた場合、最大表面粗さはそれ
ぞれ、180μｍ、100μｍ、100μｍとなり、二重ノ
ズルの使用によつて、ワイヤから放出される微粒
子の直径が小さくなることが明らかになつた。
射膜の耐摩耗特性が、用いない場合のものより優
れていること、及びその原因についてはすでに述
べた。さらに、外側ノズルを併用した場合の溶射
膜の摩耗特性を調べた結果、マスクを用いた場合
とほぼ同程度の耐摩耗特性があることを見いだし
ている。溶射効率と耐摩耗特性とが同時に改善さ
れるためには、上記円錐の周辺部を飛行する粒径
の大きい粒子が円錐の中心部に押し込められて粒
子の広がり角２θが小さくなるだけではなく、平
均粒径が小さくなつていることを示唆する。そこ
で、溶射膜表面の粗さを調べて比較検討した。そ
の結果の一例を述べると、内側ノズルに５Kg／cm2
の圧力でガスを供給した場合、同条件でマスクを
用いた場合及び外側ノズルを併用しこれに５Kg／
cm2のガス圧力をかけた場合、最大表面粗さはそれ
ぞれ、180μｍ、100μｍ、100μｍとなり、二重ノ
ズルの使用によつて、ワイヤから放出される微粒
子の直径が小さくなることが明らかになつた。
なお、表面粗さを測定するための試験片の作成
条件は、レーザ出力3kW、チタンワイヤの供給
速度２ｍ／min、溶射距離100mmとし、被溶射材
として表面をブラスト処理していない厚さ４mmの
ステンレス鋼板、ガスとして窒素を用いた。窒素
を用いたのは、アルゴンを用いて得られるチタン
の膜よりも窒素を用いて得られる窒化チタンの膜
の方が、表面がより粗く差が顕著になるからであ
る。また、マスクによつて、広がり角2θが24度以
上の範囲の粗い粒子が除去されるようにした。
条件は、レーザ出力3kW、チタンワイヤの供給
速度２ｍ／min、溶射距離100mmとし、被溶射材
として表面をブラスト処理していない厚さ４mmの
ステンレス鋼板、ガスとして窒素を用いた。窒素
を用いたのは、アルゴンを用いて得られるチタン
の膜よりも窒素を用いて得られる窒化チタンの膜
の方が、表面がより粗く差が顕著になるからであ
る。また、マスクによつて、広がり角2θが24度以
上の範囲の粗い粒子が除去されるようにした。
以上述べたように、ワイヤを溶射材とするレー
ザ溶射において、溶融したワイヤを、それに沿つ
て流すガス流によつて微粒子状にして吹き飛ばす
際、飛行する粒子の速度を大きくし、かつ、ガス
の消耗量を小さくするためには、ガスノズルの出
口断面積を小さくする必要がある。その結果、飛
行粒子群の広がり角が大きくなるとともに、飛行
粒子の形成する円錐の周辺部に粒径の大きい粒子
が多くなり、溶射効率の低下及び溶射膜の質の劣
化をもたらす。
ザ溶射において、溶融したワイヤを、それに沿つ
て流すガス流によつて微粒子状にして吹き飛ばす
際、飛行する粒子の速度を大きくし、かつ、ガス
の消耗量を小さくするためには、ガスノズルの出
口断面積を小さくする必要がある。その結果、飛
行粒子群の広がり角が大きくなるとともに、飛行
粒子の形成する円錐の周辺部に粒径の大きい粒子
が多くなり、溶射効率の低下及び溶射膜の質の劣
化をもたらす。
マスクによつて周辺部の粗い粒子を除去すると
溶射膜の質は良くなるが、溶射効率が悪くなる。
溶射膜の質は良くなるが、溶射効率が悪くなる。
本発明の二重ノズルを備えるレーザ溶射用ノズ
ルによつてそれらの問題点を解決することが可能
となつた。
ルによつてそれらの問題点を解決することが可能
となつた。
第１図は本発明のレーザ溶射用ノズルの概略
図、第２図はこの発明の一実施例図、第３図は本
発明の二重ノズルの効果を、外側ノズルのガス圧
力と飛行粒子の発散角度との関係で示した図、第
４図は外側ノズルのガス圧力と溶射効率の関係を
示した図である。 図中、１はレーザ溶射用ノズル、２はワイヤ送
給部、３は内側ガスノズル、４は外側ガスノズ
ル、５は内側ガス供給口、６は外側ガス供給口、
７はレーザ光線、８は線材（ワイヤ）、９は基材
（被溶射材）、１０は溶射膜、１１は飛行する溶融
粒子が形成する円錐、２θは溶融飛行粒子の広が
り角、dsは溶射距離を示す。
図、第２図はこの発明の一実施例図、第３図は本
発明の二重ノズルの効果を、外側ノズルのガス圧
力と飛行粒子の発散角度との関係で示した図、第
４図は外側ノズルのガス圧力と溶射効率の関係を
示した図である。 図中、１はレーザ溶射用ノズル、２はワイヤ送
給部、３は内側ガスノズル、４は外側ガスノズ
ル、５は内側ガス供給口、６は外側ガス供給口、
７はレーザ光線、８は線材（ワイヤ）、９は基材
（被溶射材）、１０は溶射膜、１１は飛行する溶融
粒子が形成する円錐、２θは溶融飛行粒子の広が
り角、dsは溶射距離を示す。
Claims (1)
- １ レーザ光線をレンズまたは鏡で収れんして得
られる高エネルギ密度部に、金属等の線材を溶射
材として送給して溶融させ、ガス流で溶融部を微
粒子状にして吹き飛ばすレーザ溶射法において、
線材及びガスを供給するためのノズルであつて、
線材の出口の周囲にガスを噴出させるリング状の
ノズルを二重にして配置することを特徴とするレ
ーザ溶射用ノズル。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1316926A JPH03177556A (ja) | 1989-12-06 | 1989-12-06 | レーザ溶射用ノズル |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1316926A JPH03177556A (ja) | 1989-12-06 | 1989-12-06 | レーザ溶射用ノズル |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03177556A JPH03177556A (ja) | 1991-08-01 |
| JPH05468B2 true JPH05468B2 (ja) | 1993-01-06 |
Family
ID=18082462
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1316926A Granted JPH03177556A (ja) | 1989-12-06 | 1989-12-06 | レーザ溶射用ノズル |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH03177556A (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4204527C2 (de) * | 1992-02-15 | 1993-12-23 | Siempelkamp Gmbh & Co | Verfahren zum Herstellen eines Abschirm-Transportbehälters für bestrahlte Kernreaktorbrennelemente |
| JPH05271898A (ja) * | 1992-02-17 | 1993-10-19 | Ind Technol Res Inst | 射出成形機における噴射スクリューの表面処理方法 |
| JP3784404B1 (ja) * | 2004-11-24 | 2006-06-14 | 株式会社神戸製鋼所 | 溶射ノズル装置およびそれを用いた溶射装置 |
| GB2439934A (en) * | 2006-07-07 | 2008-01-16 | William Geoffrey Hopkins | Laser-assisted spray system and nozzle |
| EP3710275B1 (en) * | 2017-11-15 | 2021-03-31 | Granat Research Ltd. | Metal droplet jetting system |
-
1989
- 1989-12-06 JP JP1316926A patent/JPH03177556A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03177556A (ja) | 1991-08-01 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |