アーク溶線式溶射装置
【課題】直流電源でも交流電源でも使用可能な電気式のものであって、電極の消耗や溶損が避けられ、溶射材料として安価な線材が使用できて、構造が簡単で大型な冷却装置も必要ではない溶射装置を提供すること。
【解決手段】ノズル１１内の作動ガス通路１２に、電極１３と、導電材料によって形成されて、作動ガス通路１２内に順次送り込まれる溶射線材１４の先端とを臨ませるとともに、これらの電極１３及び溶射線材１４との間に通電することにより、これらの間に発生させたアーク１５によって、溶射線材１４の先端を溶融し、この溶融された前記溶射線材１４の先端を、作動ガス通路１２内を送り込まれて来る作動ガスによって溶滴１４ａにしながら、ノズル１１から噴射させるようにしたこと。
【解決手段】ノズル１１内の作動ガス通路１２に、電極１３と、導電材料によって形成されて、作動ガス通路１２内に順次送り込まれる溶射線材１４の先端とを臨ませるとともに、これらの電極１３及び溶射線材１４との間に通電することにより、これらの間に発生させたアーク１５によって、溶射線材１４の先端を溶融し、この溶融された前記溶射線材１４の先端を、作動ガス通路１２内を送り込まれて来る作動ガスによって溶滴１４ａにしながら、ノズル１１から噴射させるようにしたこと。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶射装置に関し、特に、電極とノズル間にアークを発生させるようにしたアーク溶線式溶射装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
素材の表面の改質を行う方法としての溶射技術は、非特許文献１にも述べられているように、
・殆どの基材に対する被膜形成が行えること
・溶射される材料の種類が広範囲であること
・溶射被膜が形成される基材の寸法に制限がないこと
・被膜の形成速度が速いため、効率的な表面改質法であること
・現場施工が容易であること
等の優れた技術である。
【０００３】
このような溶射技術は、ガス式と電気式との２つに大きく分けられるが、近年では制御が容易であることから、特許文献１及び特許文献２にも示されるように、電気式の溶射技術が種々提案され発達してきている。そして、この電気式の溶射技術は、溶射材料を「アーク」によって加熱する古くからの「アーク溶射法」と、「アーク」によって発生させたプラズマジェットをエネルギー源とする「プラズマ溶射法」と、通電加熱をエネルギー源とする「線爆溶射法」との３つに分けられる。
【０００４】
「アーク溶射法」は、非特許文献１及び２、そして図４にも示すように、２本のノズルを通して連続的に送給される「溶射線材」の先端間に「アーク」を発生させ、このアークによる熱で溶融させた溶射線材を、中間にあるノズルから噴射する空気ジェットによって「溶滴化」し、この溶滴を基材表面に吹き付けて被膜とするものである。換言すれば、この「アーク溶射法」では、２本の「溶射線材」を、２本のノズルを通して連続的に送給しなければならないだけでなく、ノズルから噴射する空気ジェットに常に正確に乗せなければならないものとなっている。
【０００５】
この「アーク溶射法」は、「交流アーク」も「直流アーク」も使用できて、出力を大きくすることによって、溶射速度を高めることができるし、被膜自体の強度や、被膜の基材表面に対する密着強度が「ガス（フレーム）溶射」より高くできるから、効率の良い溶射が行える反面、空気ジェットによって溶滴として吹き飛ばされた後は、加熱されないため温度が低下することとなる。また、この「アーク溶射法」では、溶射線材の送給速度が出力に対して低すぎると、溶滴の過熱及び酸化が生じ、場合によっては、溶射線材の合金元素の損失を生じて被膜の化学組成が大きく変化することになる。
【０００６】
一方、電気式の溶射技術の中の「プラズマ溶射法」は、非特許文献１にも述べられているように、「直流アーク」のみによって発生させた「プラズマ」をエネルギー源として溶射を行うもので、上記「アーク溶射法」の一種である。そして、この「プラズマ溶射法」は、非特許文献２にも述べられているように、
・プラズマのエネルギー密度が高いので、セラミックス等の高融点材料を溶融し、高速度に加速して溶射できること
・基材に対するプラズマの熱影響を小さくすることができて、プラスチック等の低融点基材へも容易に成膜できること
・溶融粒子の急冷凝固やプラズマ中での反応を利用して、種々な被膜組織が形成できること
等の長所があるものである。
【０００７】
また、この「プラズマ溶射法」は、非特許文献１にも述べられているように、エネルギー源として、「プラズマアーク」を使用するものと、「プラズマジェット」を使用するものと、の２形態のものが実用化されている。「プラズマアーク」を使用するものは、図５の（ａ）に示すように、プラズマトーチ内の陰極と、基材自体が構成することになる陽極との間にアークを発生させ、このアークを取り囲むように、ノズルから作動ガスを旋回流として基材に送り込むものである。
【０００８】
「プラズマジェット」をエネルギー源として使用するものは、図５の（ｂ）に示すように、ノズル内に陰極及び陽極を並存させておき、これらの両極間にアークを発生させながら作動ガスを旋回流として給送するものである。これにより、作動ガスはアークによってプラズマ化されて、ノズルの先端から超高温の「プラズマジェット」となって噴出されることになる。
【０００９】
図５の（ａ）に示す「プラズマアーク」ではアークの陽極点加熱であるのに対し、図５の（ｂ）に示す「プラズマジェット」では高温流による加熱である。このため、前者の基材の加熱効果は後者のそれに比べて遙かに高く、基材面を加熱しない方がよいという表面改質法の原則からすると、溶射技術の殆どには「プラズマジェット」が用いられていることになる。
【００１０】
しかしながら、この「プラズマ溶射法」でも、上記の「アーク溶射法」と同様に、溶射材料の送給速度が出力に対して低すぎると、溶滴の過熱及び酸化が生じ、溶射線材の合金元素の損失を生じて被膜の化学組成が大きく変化するという問題が無い訳ではないし、直流電源が必要でもある。
【００１１】
そこで、２陽極とプラズマトリミング部を備えた溶射装置が提案されていることが、非特許文献１に記載されている。この溶射装置では、１個の陰極トーチに対応して、軸対称となるべき２個の陽極トーチを有していて、プラズマトリミング部にて高温のジェットを除去することによって、基材や被膜の過熱を防ぐようにしているものである。さらに、この溶射装置では、陰極及び陽極を、アルゴンあるいは窒素ガス等の不活性ガスによって保護するようにしている。
【００１２】
逆に言えば、非特許文献１に記載されている溶射装置では、溶射材料として原価の高い「粉末状」のものを採用しなければならないだけでなく、直流電源が必要でもあることから、装置全体が非常に複雑になっている。
【００１３】
これに対して、前述の図４に示す溶射装置では、直流電源でも交流電源でも使用できて、原価の安い「溶射線材」が使用できるため構造が簡単ではあるが、溶滴の過熱及び酸化が生じ、溶射線材の合金元素の損失を生じて被膜の化学組成が大きく変化するという問題が残ったままである。さらに、この図４の装置も、非特許文献２の装置も、ノズルと電極間に「アーク」を発生させるのであるから、非特許文献２の「プラズマ溶射ガン」という項目中にも記載されているように、このアークの発生によってノズルや電極が消耗したり溶損したりする。そのために、これらのノズルや電極は、冷却水循環装置によって冷却しなければならないものとなっているのである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００２−２０６１５９号公報、要約
【特許文献２】特許第３６６１０１７号掲載公報
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】新版溶射工学（産報出版株式会社１９９６年発行、著者 蓮井 淳）
【非特許文献２】溶射工学便覧（日本溶射協会２０１０年発行）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
ところで、特許文献１には、「アークを安定に維持して安定な動作を行わせるとともに、溶射用線材の霧化を効率よく行わせることができるアーク溶射装置を提供する」ことを目的としてなされた「アーク溶射方法及び装置」に関する発明が提案されている。
【００１７】
この特許文献１にて提案されている「アーク溶射方法及び装置」は、図７にも示すように、「２本の線材ガイド管５Ａ及び５Ｂにより溶射用線材１１Ａ及び１１Ｂをガイドしつつ目標点Ｃに向けて送給し、線材１１Ａ及び１１Ｂの先端を接触させてアークを発生させる。目標点Ｃ付近に一次ガス流の集合点Ａを設定し、２本の線材ガイド管５Ａ及び５Ｂが配置された領域よりも外側の領域から溶射軸線に対して傾斜した方向に沿って集合点Ａに向けて流れるビーム状の一次ガス流を生じさせ、この一次ガス流を線材の先端の溶融部分に吹き付けることにより溶融金属を霧化させる」ものである。
【００１８】
従って、この特許文献１の「アーク溶射方法及び装置」は、図４に示す「アーク溶射装置」と基本原理が同じで、「アークを安定に維持して安定な動作を行わせるとともに、溶射用線材の霧化を効率よく行わせることができる」ものではあっても、図４の「アーク溶射装置」に関連する上述した長所と短所を有しているものである。
【００１９】
特に、この特許文献１の「アーク溶射方法及び装置」は、「２本の線材ガイド管５Ａ及び５Ｂ」を必要としているものであって、溶射材料として「２本の線材」を使用するものであるから、例えば、鉄橋を構築している非常に多数のリベットやボルト・ナットの錆止めや、エンジンのシリンダ内の表面処理を、この種の溶射技術によって行うことは非常に困難である。何故なら、小さな突起の全外周や円筒内面を２本の線材を使用しながら溶射しようとすると、これら２本の線材を供給しながら突起や円筒の周りに回転させる必要があるからであり、そのようにするには更に大型の装置が必要になるからである。このことは、図４に示した装置に付いても同様に言えることである。
【００２０】
一方、特許文献２の技術は、本願の発明者が提案したものであるが、図６にも示すように、「吐出口金６０の先端部中央に、溶滴８１の吐出方向を変換する突起６３を形成するとともに、吐出口金６０の後端に、当該吐出口金６０から突出して、外筒１０内に収納したエア噴出筒５０内に配置される複数のアーム部６５を一体化することにより、回転エアが噴出されるエア噴射空間６６を形成して、エア噴出空間６６の外側であって外筒１０の直ぐ内側に、回転エア室５２を介在させた状態でエア噴出筒５０を配置した」ものであり、燃料ガスを燃焼させた熱エネルギーによって溶射材料を溶融させる、所謂「ガス溶線式溶射装置」である。
【００２１】
この特許文献２の技術は、「エア噴出筒５０に形成した多数のエア噴出口５３から噴出するエアによって吐出口金６０に回転力を与える」ようにしたものであり、円筒状の基材内面への溶射が行えるようにした」、非常に有用なものではあるが、本発明者は、電気式のものに比較すると、制御方法に少し難があると考えたのである。
【００２２】
そこで、本発明者は、この種の溶射装置について、
（ａ）直流電源でも交流電源でも使用可能な電気式の溶射装置
（ｂ）電極の消耗や溶損が避けられる溶射装置
（ｃ）溶射材料として、安価な線材が使用できる溶射装置
（ｄ）簡単な構造で大型な冷却装置は必要でない溶射装置
とするにはどうしたらよいか、について種々検討を重ねてきた結果、本発明を完成したのである。
【００２３】
すなわち、本発明の目的とするところは、電気式であって直流電源でも交流電源でも使用可能で、電極の消耗や溶損が避けられ、溶射材料として安価な線材が使用できて、構造が簡単で大型な冷却装置も必要ではない溶射装置を提供することにある。
【００２４】
さらに、本発明の他に目的とするところは、上記の目的が達成できる他、１本だけの溶射線材を使用するようにして、ノズルを回転させるようにしたときでも、溶射線材の送りが行える簡単な構造の溶射装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
以上の課題を解決するために、まず、請求項１に係る発明の採った手段は、後述する実施形態の説明中で使用する符号を付して説明すると、
「ノズル１１内の作動ガス通路１２に、電極１３と、導電材料によって形成されて、作動ガス通路１２内に順次送り込まれる溶射線材１４の先端とを臨ませるとともに、
これらの電極１３及び溶射線材１４との間に通電することにより、これらの間に発生させたアーク１５によって、溶射線材１４の先端を溶融し、
この溶融された溶射線材１４の先端を、作動ガス通路１２内を送り込まれて来る作動ガスによって溶滴１４ａにしながら、ノズル１１から噴射させるようにしたことを特徴とするアーク溶線式溶射装置１０」
である。
【００２６】
この請求項１に係るアーク溶線式溶射装置１０の基本構成は、図１及び図２に示すように、ノズル１１内の作動ガス通路１２に、互いに対極する状態で、電極１３及び溶射線材１４の先端を臨ませて、これらの電極１３及び溶射線材１４の先端に発生させたアーク１５によって溶射材料を溶融し、作動ガス通路１２内に送り込まれて来る作動ガスにより、溶融した溶射線材１４の先端を溶滴化（溶滴１４ａ）するようにしたものである。
【００２７】
このアーク溶線式溶射装置１０において重要なことは、電極１３に対極するものを、導電材料によって形成され、作動ガス通路１２内に順次送り込まれて溶滴１４ａとなる溶射線材１４によって構成した、つまり「１本」の溶射線材１４で溶射が行えるようにしたことである。換言すれば、作動ガス通路１２内で電極１３に対極するものを、基材２０上の被膜２１となるべき溶射線材１４の先端によって構成するとともに、この溶射線材１４の先端が作動ガス通路１２内に順次送り込まれて溶滴１４ａとなるようにしたことが、本発明に係るアーク溶線式溶射装置１０の最大特徴なのである。
つまり、このアーク溶線式溶射装置１０は、上記の （ａ）の「電気式の溶射装置」となっているのである。なお、電極１３については、導電性のものであることは勿論、溶滴１４ａとはならないものによって構成し、固定的なものとしておけばよいものである。
【００２８】
溶射線材１４を電極とすることは、上述した「アーク溶射法」において既に採用されてきていることではあるが、従来のアーク溶射法では、必ず「２本」の溶射線材によってアークを発生させるようになっていて、２本の溶射線材を送り装置によって送り込み、溶滴が一定の（交差）点、つまり空気ジェットが送られる先で発生し得るように送り速度を調整しなければならない。
【００２９】
ところが、本発明に係るアーク溶線式溶射装置１０では、一方の電極となるべき１本の溶射線材１４を送り速度を調整しながら作動ガス通路１２内に向けて送らなければならないが、電極１３は固定的でかつ非消耗部分としてその送り調整を全く不要としているだけでなく、この電極１３は作動ガス通路１２内に臨んでいることから、作動ガス通路１２内を送り込まれてくる作動ガスによって冷却されることにもなるのである。
【００３０】
勿論、この溶射線材１４は、電極１３との間にアーク１５を発生させなければならないから、導電性のものである必要があるが、一般的には基材２０上の被膜２１とすべきものは導電性のある金属が多いから、特に問題となることはない。むしろ、粉体とする必要がないことから、一般的な金属棒材を採用すればよく、１００％被膜２１となることはない溶射材料として、安価なものでよいことになって、非常に効率的なアーク溶線式溶射装置１０となるのである。つまり、本発明に係るアーク溶線式溶射装置１０は、上記の （ｃ）の「溶射材料として、安価な線材が使用できる溶射装置」となっているのである。
【００３１】
この一方の電極となる溶射線材１４は、例えば図１に示すような線材案内部材１６によってノズル１１内に案内供給すればよいし、しかも１本だけ使用すればよいから、当該アーク溶線式溶射装置１０全体の構成を簡略化し得るものである。そして、この溶射線材１４を案内する線材案内部材１６に電源１７の一方を接続し、電極１３側にこの電源１７の他方を接続すれば、ノズル１１内の作動ガス通路１２にて対極している溶射線材１４と電極１３との間に通電され、これらの溶射線材１４の先端及び電極１３間にアーク１５を発生させることが簡単な構成によって形成できるのである。
【００３２】
換言すれば、本発明に係るアーク溶線式溶射装置１０は、電気式の溶射装置であって、交流電源でも直流電源も採用できるものであり、使用の汎用性が高いものとなっているのである。なお、電源として直流を採用する場合には、溶射線材１４側をカソード（陰極）とすることが好ましい。つまり、本発明に係るアーク溶線式溶射装置１０は、上記の（ａ）の「直流電源でも交流電源でも使用可能な溶射装置」となっているのである。
【００３３】
この場合、作動ガス通路１２内に送り込まれて来る作動ガスを加熱するアーク１５が交流電源によって発生されるのであれば、このアーク１５の到達点において加熱されることになり、このアーク１５の到達点の周囲に存在する作動ガスがプラズマ化される。一方、アーク１５が直流電源によって発生されるのであれば、作動ガスは直接的にプラズマ化されて高温化することになる。何れの場合も、プラズマ化された作動ガスは、溶射材料１４の先端を溶滴１４ａとすることになるし、アーク１５の発生地点より後流側に至っても十分な熱エネルギーを保存していて、各溶滴１４ａが被膜になるまでの温度維持を確保することになる。
【００３４】
また、この請求項１のアーク溶線式溶射装置１０においては、電極の一方を、ノズル１１内の作動ガス通路１２に順次送り込まれる１本の溶射線材１４によって構成し、電極１３をノズル１１自体あるいはその一部に形成した電気式溶射装置であるから、図１にも示すように、ノズル１１への溶射線材１４の供給方向と溶射方向（溶滴１４ａの噴射方向）との角度を９０度以内のものとすることができる。
【００３５】
このことは、例えば、鉄橋を構築している非常に多数のリベットやボルト・ナットの錆止めや、エンジンのシリンダ内の表面処理を非常に容易に行えることを意味している。リベットやボルト・ナットは、鉄橋を構築している鉄骨の大きな平面に対して僅かに突出している突起となっているものであるが、このような突起に溶射を行おうとすれば、直ぐ直前に立ちはだかっている鉄骨の大きな平面が作業の邪魔になる。ところが、この請求項１のアーク溶線式溶射装置１０においては、ノズル１１への溶射線材１４の供給方向と溶射方向との角度がせいぜい９０度以内であるから、溶射線材１４や電源コードと鉄骨平面とが干渉し合うことなく、ノズル１１の溶射口を、各突起の正面は勿論、周囲側面に対しても向けることができるからである。
【００３６】
また、表面処理すべき対象、つまり基材２０が、シリンダなどの円筒内面であっても、この円筒の開口からノズル１１を円筒内に差し込むとともに、このノズル１１を少し傾斜させながら自身または円筒側を回転させれば、溶射線材１４や電源コードがこの円筒に干渉することなく、溶射が行えることになる。
【００３７】
以上のアーク溶線式溶射装置１０を作動させると、従来のアーク溶射法の場合と同様に、電極である溶射線材１４の先端と、固定的な電極１３との間に、図１及び図２に示すように、アーク１５が発生する。このアーク１５は、作動ガス通路１２内を流れている、圧縮空気、アルゴンガス、窒素ガス等の作動ガスを、加熱あるいはプラズマ化して高温にするから、この高温作動ガスによって溶射線材１４の先端が順次溶融することは上述した通りである。また、アーク１５が発生する近傍を含めて、作動ガス通路１２内には作動ガスが高速で流れているのであるから、溶融した溶射線材１４は、これに吹き飛ばされるようにして溶滴１４ａとなるのである。
【００３８】
ここで、溶滴１４ａを吹き飛ばした後の作動ガスは、外気によってある程度まで冷却されるが、もとものこの作動ガスは、非常に高速で基材２０に向けて噴射されているし、アーク１５によって加熱されてプラズマ化されているから、上述したように、基材２０に到達するまでの時間程度では、溶滴１４ａを固化させる程冷却されることはない。つまり、基材２０の上に被膜２１を形成すべく確実に溶射されるのである。
【００３９】
作動ガスによって吹き飛ばされた溶滴１４ａは、作動ガス通路１２の開口部から溶融状態を維持したまま基材２０表面に向けて飛ばされる、つまり溶射されるから、基材２０の表面に付着して固形化することにより、目的の被膜２１となるのである。勿論、溶滴１４ａとなるべき溶射線材１４は、順次送られるのであるから、溶滴１４ａが途切れることはなく、しかもアーク１５の発生は安定化されるのである。
【００４０】
一方、作動ガス通路１２内に露出している電極１３は、当該作動ガス通路１２内を流れる作動ガスに触れているのであるから、そのアーク１５より上流側が常に冷却されることになって、この電極１３は、ある程度の耐熱性のあるものであれば、「アーク溶射法」の場合と異なって、溶融することはなく、まして、溶滴１４ａとして吹き飛ばされることもない。つまり、本発明に係るアーク溶線式溶射装置１０は、上記の（ｂ）の「電極の消耗や溶損が避けられる溶射装置」となっているのであるし、他方の電極１３のための冷却装置は殆ど必要ないのであるから、（ｄ）の「構造が簡単で大型な冷却装置は必要でない溶射装置」ともなっているのである。
【００４１】
ところで、図５あるいは図６に示す従来の装置では、ノズルと電極間に「アーク」を発生させるのであるから、このアークの発生によってノズルや電極が消耗したり溶損したりするということがあったが、本発明に係るアーク溶線式溶射装置１０では、一方の電極が溶射線材１４そのものであり、この溶射線材１４自体は、アーク１５によって加熱されることにより溶滴１４ａとなる、つまり「溶損」することを前提としているものである。
【００４２】
この溶射線材１４自体が溶損するものであっても、当該溶射線材１４はそれを見越して線材送り装置１８などによって作動ガス通路１２内に送り込まれるのであるから、この溶射線材１４自体の言わば「溶損」は全く問題がない。それだけでなく、この溶射線材１４自体の溶損は、アーク１５の熱エネルギーを溶滴１４ａの形成のために使用することを意味しているから、アーク１５の熱エネルギーは、電極１３の消耗または溶損のためには使用されない。換言すれば、本発明に係るアーク溶線式溶射装置１０では、電極１３については、消耗または溶損しないのである。
【００４３】
従って、この請求項１に係るアーク溶線式溶射装置１０は、電気式であって直流電源でも交流電源でも使用可能で、電極１３の消耗や溶損が避けられ、溶射材料として安価な線材１４が使用できて、構造が簡単で大型な冷却装置も必要ではないものとなっているのである。
【００４４】
また、上記課題を解決するために、請求項２に係る発明の採った手段は、上記請求項１に記載のアーク溶線式溶射装置１０について、
「電極１３を、溶射線材１４を構成している材料よりも高い融点の金属、またはその合金、あるいは複合体によって形成したこと」
である。
【００４５】
電極１３は、上述したように、作動ガス通路１２内に広く露出していて、作動ガス通路１２内を流れる作動ガスによって冷却されるものではあるが、溶射線材１４の先端との間に発生するアーク１５の到達場所でもあるから、これを消耗しにくいタングステンまたはその合金、あるいは複合体によって形成しておけば、その耐久性は格段に向上することは言うまでもない。溶射線材１４を構成している材料よりも高い融点の金属とし得るものとしては、タングステン、タンタル、モリブデンあるいはクロムがある。なお、複合体としては、例えば「銀タン」と呼ばれる銀とタングステンとの複合物を言い、タングステンとは合金化されない他の金属との複合物を言うものとする。
【００４６】
従って、この請求項２のアーク溶線式溶射装置１０は、上記請求項１のそれと同様な機能を発揮する他、電極１３がより耐久性が高いものとなっているのである。
【００４７】
さらに、上記課題を解決するために、請求項３に係る発明の採った手段は、上記請求項１または請求項２に記載のアーク溶線式溶射装置１０について、
「ノズル１１内に存在する作動ガス通路１２内に、溶射線材１４の供給口１４ｂを開口させるとともに、この供給口１４ｂより下流側の作動ガス通路１２の方向と、供給口１４ｂでの溶射線材１４の送り込み方向とが交差し得るようにしたこと」
である。
【００４８】
この請求項３に係るアーク溶線式溶射装置１０は、図１〜図３に示すように、供給口１４ｂより下流側の作動ガス通路１２の方向と、供給口１４ｂでの溶射線材１４の送り込み方向とを交差させて、溶射線材１４の送り制御と、アーク１５を発生させる電源条件とを緩和するようにしている。
【００４９】
アーク１５の発生時期及び回数は、電極１３と溶射線材１４の先端との間の距離及び電圧の大きさによって決定されるが、これらは溶射線材１４の送り速度の調整、及び電源１７での電圧制御に大きく依存する。ところが、本発明に係るアーク溶線式溶射装置１０では、供給口１４ｂより下流側の作動ガス通路１２の方向と、供給口１４ｂでの溶射線材１４の送り込み方向とを交差させていることによって、溶射線材１４の先端が電極１３に直接接触するまでの時間に余裕ができ、溶射線材１４の送り速度に変化があっても、または電源１７の電圧に変化があっても、安定したアーク１５の発生が行えるのである。
【００５０】
また、本発明に係るアーク溶線式溶射装置１０では、供給口１４ｂより下流側の作動ガス通路１２の方向と、供給口１４ｂでの溶射線材１４の送り込み方向とを交差させていることによって、溶射線材１４が他方の電極１３に対する距離が部分で異なる太さのあるものであっても、あるいは溶融した部分が溶射線材１４の先端に残っていたとしても、図１にも示すように、これらの部分の内電極１３に近い部分が先に溶滴１４ａとなり、溶射線材１４の送り速度に変化があっても、または電源１７の電圧に変化があっても、安定したアーク１５の発生が行えるのである。
【００５１】
さらに、本発明に係るアーク溶線式溶射装置１０では、供給口１４ｂより下流側の作動ガス通路１２の方向と、供給口１４ｂでの溶射線材１４の送り込み方向とを交差させていることによって、この溶射線材１４の溶融した先端が、作動ガス通路１２内の作動ガスの流れに対して直交することはないのであるから、この直交する場合に比較すれば、溶射線材１４の溶融した先端が作動ガスの流れ中に長時間存在し得ることになり、溶射線材１４の溶融した先端が効果的に飛散するのである。
【００５２】
特に、図２及び図３に示すアーク溶線式溶射装置１０では、供給口１４ｂより下流側の作動ガス通路１２の方向と、供給口１４ｂでの溶射線材１４の送り込み方向とが直角に交差しているため、作動ガス通路１２内のアーク１５が発生する直前までの他方の電極１３の冷却を、この作動ガス通路１２内を流れる作動ガスによってより効果的に行えるものとなっているのである。
【００５３】
従って、この請求項３に係るアーク溶線式溶射装置１０は、上記請求項１または２のそれと同様な機能を発揮する他、アーク１５の発生の安定化と、他方の電極１３の冷却とを効果的に行えるものとなっているのである。
【００５４】
そして、上記課題を解決するために、請求項４に係る発明の採った手段は、上記請求項１〜請求項３のいずれかに記載のアーク溶線式溶射装置１０について、
「電極１３を、溶射線材１４に対して回転可能にしたこと」
である。
【００５５】
すなわち、この請求項４に係るアーク溶線式溶射装置１０では、図３にも参考的に示すように、ノズル本体１１Ａ内に一方の電極１３となるべき１本の溶射線材１４を直線的に送り込むようにするとともに、ノズル本体１１Ａの先端に電極１３の他方でもあるノズル１１を、１本の溶射線材１４の回りに、つまり溶射線材１４に対して回転可能にしたものである。
【００５６】
以上の結果、この請求項４のアーク溶線式溶射装置１０においては、作動ガス通路１２の開口から噴出される高温化された作動ガス及び溶滴１４ａの反作用によって、他方の電極１３、つまりノズル１１が、１本の溶射線材１４を中心に回転し得ることになるのである。これにより、溶射線材１４側となるノズル本体１１Ａを、作業者の手やロボットのハンドによって固定的にしておけば、当該アーク溶線式溶射装置１０は、円筒内にノズル本体１１Ａの先端を挿入すれば、この円筒内面全体への溶射が行えることになるのである。
【００５７】
特に、このアーク溶線式溶射装置１０においては、電極の一方を、ノズル１１内の作動ガス通路１２に順次送り込まれる１本の溶射線材１４によって構成し、電極１３をノズル１１自体あるいはその一部に形成した電気式溶射装置であって、電極１３が溶射線材１４に対して回転可能になっていて、しかも、このアーク溶線式溶射装置１０は、ノズル１１への溶射線材１４の供給方向と溶射方向（溶滴１４ａの噴射方向）との角度を９０度となるようにしているのであるから、エンジンのシリンダ等の円筒内の表面処理を非常に容易に行えるものである。
【００５８】
何故なら、このアーク溶線式溶射装置１０のノズル１１を円筒内に差し込んで、溶射を開始すれば、ノズル１１は、溶滴１４ａを内周壁に吹き付けながら自ら回転するから、例えばノズル本体１１Ａは円筒に対して上下させるだけで、円筒内面の全てに溶射による被膜２１が形成できるからである。勿論、このときに、１本の溶射線材１４自身や、これと電源コードが絡み合うことは全くなく、上述したノズル本体１１Ａの円筒に対する上下操作のみによって、円筒内への被膜２１の形成が非常に容易に行えるのである。
【００５９】
従って、この請求項４に係るアーク溶線式溶射装置１０は、上記請求項１〜３の何れかに係るそれと同様な機能を発揮する他、円筒内の溶射も行えるものとなっているのである。
【発明の効果】
【００６０】
以上の通り、本発明においては、
「ノズル１１内の作動ガス通路１２に、電極１３と、導電材料によって形成されて、作動ガス通路１２内に順次送り込まれる溶射線材１４の先端とを臨ませるとともに、
これらの電極１３及び溶射線材１４との間に通電することにより、これらの間に発生させたアーク１５によって、溶射線材１４の先端を溶融し、
この溶融された溶射線材１４の先端を、作動ガス通路１２内を送り込まれて来る作動ガスによって溶滴１４ａにしながら、ノズル１１から噴射させるようにしたこと」
にその構成上の主たる特徴があり、これにより、直流電源でも交流電源でも使用可能で、電極１３の消耗や溶損が避けられ、溶射材料として安価な線材１４が使用できて、構造が簡単で大型な冷却装置も必要ではないアーク溶線式溶射装置１０を提供することができるのである。
【００６１】
特に、このアーク溶線式溶射装置１０は、
（ａ）直流電源でも交流電源でも使用可能な電気式溶射装置
（ｂ）電極１３の消耗や溶損が避けられる溶射装置
（ｃ）溶射材料として、安価な線材１４が使用できる溶射装置
（ｄ）構造が簡単で大型な冷却装置は必要でない溶射装置
といった要望の全てを実現することができるのである。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明に係るアーク溶線式溶射装置１０の概略を示す断面図である。
【図２】請求項３に係るアーク溶線式溶射装置１０の概略を示す部分断面図である。
【図３】同アーク溶線式溶射装置１０の概略を示すもので、（ａ）は部分断面図、（ｂ）は部分平面図である。
【図４】従来のアーク溶射装置の概略を示す断面図である。
【図５】従来のアーク溶射装置（ａ）とプラズマ溶射装置（ｂ）の概略をそれぞれ示す断面図である。
【図６】特許文献２に示されたプラズマ溶射装置の概略を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００６３】
次に、上記のように構成した各請求項に係る発明を、図面に示した実施の形態であるアーク溶線式溶射装置１０について説明すると、図１には本発明の第１実施例に係るアーク溶線式溶射装置１０が、また、図２及び図３には本発明の第２実施例に係るアーク溶線式溶射装置１０が、概略的に示してある。
【００６４】
まず、これらの第１実施例及び第２実施例に係るアーク溶線式溶射装置１０のそれぞれを説明する前に、これらに共通する部分から説明すると、次の通りである。これらのアーク溶線式溶射装置１０は、ノズル１１内の作動ガス通路１２に、互いに対極する状態で、電極１３と溶射線材１４の先端とを臨ませて、これらの電極１３及び溶射線材１４の先端間に発生させたアーク１５によって溶射材料１４の先端のみを溶融し、作動ガス通路１２内に送り込まれて来る作動ガスにより、溶融した溶射材料１４の先端を溶滴化するようにしたことを基本とするものである。
【００６５】
そして、本発明に係るアーク溶線式溶射装置１０で重要なことは、互いに対極する電極の内の一方を、溶射線材１４によって構成したことである。この溶射線材１４は、アーク１５の基点あるいは到達点となるもの、つまり導電材料によって形成されて「電極」をも構成するものであり、しかも、作動ガス通路１２内に順次送り込まれながら、アーク１５によって加熱されて溶滴１４ａとなるものである。
【００６６】
ここで、安定的な溶射が行えるためには、溶射線材１４の送りと、この溶射線材１４に対する通電が問題になるが、本発明に係るアーク溶線式溶射装置１０では、この溶射線材１４の送りについては、溶射線材１４と他方の電極１３間の電圧または電流の計測と、これに基づく線材送り装置１８等の制御によって、溶射線材１４の送り調整を行うようにしている。アーク１５の発生は、この溶射線材１４の先端と電極１３との距離、及びその間の電圧または電流の大きさによるからである。
【００６７】
また、溶射線材１４に対する通電は、例えば、導電性の線材案内部材１６内に常に接触するようにしながら、当該溶射線材１４を作動ガス通路１２内に送り込むようにするとともに、当該溶射線材１４を導電材料によって構成することによって行っている。勿論、この線材案内部材１６と電極１３とは、例えば図２に示したように、絶縁させておくことは言うまでもない。
【００６８】
これに対して、電極１３は、アーク１５によって加熱されても「溶滴」とはならないものである。この電極１３がアーク１５によって加熱されても「溶滴」とはならないのは、作動ガス通路１２内に面したものであること、またこの作動ガス通路１２内を流れる作動ガスによって常に冷却されていることによる。勿論、この電極１３自体を、溶射線材１４を構成している材料よりも高い融点の金属、例えばタングステンやその合金、あるいは複合体等の、導電性があって耐熱性に優れた材料によって形成しておけば、アーク１５によって加熱されても、より一層「溶滴」とはならないことは言うまでもない。 つまり、本発明に係るアーク溶線式溶射装置１０は、電気式の溶射装置であって、交流電源でも直流電源も採用できるものであり、使用の汎用性が高いものとなっているのである。
【００６９】
（実施例１）
図１には、本発明の第１実施例に係るアーク溶線式溶射装置１０の概略が示してある。このアーク溶線式溶射装置１０では、人の手やロボットのアームによって動かされるノズル１１内に作動ガス通路１２が形成してあって、この作動ガス通路１２はノズル１１の一部にて開口させてある。勿論、図１中の白抜き矢印にて示したように、この作動ガス通路１２内には作動ガスが図示しない装置によって供給されるのであるが、この作動ガスとしては、圧縮空気、一酸化炭素、アルゴンガスや窒素ガス等の不活性ガスが採用される。
【００７０】
この作動ガスが流れる作動ガス通路１２内には、電極１３が比較的広い面積で露出するようにしてあり、この電極１３に溶射線材１４の先端が対極するように、溶射線材１４の出口である供給口１４ｂが開口させてある。この供給口１４ｂからは、線材案内部材１６にて案内されながら送られて来る溶射線材１４が作動ガス通路１２内に突出することになるが、この溶射線材１４の突出角度は、他方の電極１３の露出面に対して傾斜するように設定してある。この溶射線材１４の、他方の電極１３の露出面に対する傾斜角度は、当該溶射線材１４の案内方向、ノズル１１自体の構造、及び溶滴１４ａが他方の電極１３に付着しないようにすることを考慮すると、２０度〜６０度が好ましい。
【００７１】
以上の線材案内部材１６と電極１３との間に給電する電源１７としては、上述したように、交流電源でも直流電源でもよいのであるが、アーク１５によってプラズマジェットを発生させたい場合には、直流電源を採用するとよい。この直流電源を電源１７として採用する場合には、線材案内部材１６側をカソードつまり陰極とするとよい。
【００７２】
（第２実施例）
図２及び図３には本発明の第２実施例に係るアーク溶線式溶射装置１０が示してあるが、この第２実施例のアーク溶線式溶射装置１０と上記第１実施例のそれと異なる点は、ノズル１１内に作動ガス通路１２を形成したことと、この作動ガス通路１２の溶射線材１４が送り込まれる部分の方向と溶射線材１４以降の部分の方向とが互いに傾斜させてあることである。なお、この第２実施例のアーク溶線式溶射装置１０と上記第１実施例のそれと共通する部分については、図２及び図３中に同一符号を付してその説明を省略することがある。
【００７３】
この第２実施例のアーク溶線式溶射装置１０におけるノズル１１は、図２及び図３の（ａ）にて示したように、その中心部分に作動ガス通路１２を形成しておいて、この作動ガス通路１２の上流側部分内に、溶射線材１４を案内するための線材案内部材１６の先端部分が挿入できるようにしてある。また、このアーク溶線式溶射装置１０における作動ガス通路１２は、図３に示したように、ノズル１１が組み付けられるべきノズル本体１１Ａ内に連通しているものであり、このノズル本体１１Ａ内に供給される作動ガスが、当該ノズル１１内の作動ガス通路１２に供給できるようにしてある。
【００７４】
この第２実施例におけるアーク溶線式溶射装置１０での溶射線材１４の送りは、図３の（ａ）にて示したように、互いに対向して溶射線材１４を挟み込む一対のピンチローラの一方を、線材送り装置１８によって回転駆動制御することにより行うようにしている。勿論、これら一対のピンチローラの送り出し方向は、ノズル本体１１Ａの軸心方向と一致しているものであり、例えば、ロールに巻き取られた長尺な溶射線材１４の曲がり癖を、これら一対のピンチローラによる挟み込みによって直線状態に直しながら、当該溶射線材１４の送り込みを行うようにしているのである。勿論、この線材送り装置１８は、１本の溶射線材１４の送り込みを行うものであるから、「１台」でよい。
【００７５】
また、このアーク溶線式溶射装置１０におけるノズル本体１１Ａは、図３の（ａ）にて示したように、図示右端にあって電源１７の一端が接続される電源接続部１９ｂを、絶縁部材１９ａを介して一体化するようにしてあり、この電源接続部１９ｂには線材案内部材１６の一端が固定してある。この線材案内部材１６の他端は、ノズル１１の作動ガス通路１２内に、ノズル１１と非接触状態となるように配置してあって、線材案内部材１６の中間部分は導電性のノズル本体１１Ａ内に浮いた状態に配置してある。そして、このノズル本体１１Ａの一部には、導電性の作動ガス供給口１９ｃが一体化してあり、この作動ガス供給口１９ｃには電源１７の他端が接続されるのである。勿論、ノズル１１は、ノズル本体１１Ａに対して固定的であってもあるいは回転可能であっても、このノズル本体１１Ａに対して電気的に接続されているものである。
【００７６】
以上の結果、当該アーク溶線式溶射装置１０のノズル本体１１Ａでは、電源１７からの電力は、電源接続部１９ｂを介して線材案内部材１６に、また作動ガス供給口１９ｃ及びノズル本体１１Ａを介してノズル１１に、それぞれ供給されることになるのであり、電力が供給されたときには、溶射線材１４の先端と、他方の電極１３、つまりノズル１１との間にアーク１５を発生するのである。
【００７７】
ところで、図３では具体化していないが、ノズル１１はノズル本体１１Ａに対して回転可能に組み付けることができるものである。この場合には、線材案内部材１６をノズル本体１１Ａの長手方向の中心に配置して、この線材案内部材１６による溶射線材１４の送りを、回転可能なノズル１１の中心、つまり当該ノズル１１内の作動ガス通路１２の中心に向けて行うようにする。そうすると、当該ノズル１１は、送られてくる溶射線材１４を中心にして回転できることになり、ノズル１１は、溶射線材１４の送りに影響されることなく、かつノズル１１の中心への溶射線材１４の供給が常になされる状態で回転できることになるのである。
【００７８】
また、ノズル１１内の作動ガス通路１２は、特に図２に示したように、その溶射線材１４が送り込まれる部分の軸心方向は、溶射線材１４の軸心と一致したものであるが、この溶射線材１４の先端部分以降（後流側）の作動ガス通路１２の軸心方向とは交差状態にある。換言すれば、ノズル１１内の作動ガス通路１２については、図２に示したように、線材案内部材１６の先端に形成した溶射線材１４のための供給口１４ｂが開口していて、この供給口１４ｂより下流側の作動ガス通路１２の方向と、供給口１４ｂでの溶射線材１４の送り込み方向とが交差させてある。
【００７９】
この第２実施例における作動ガス通路１２では、上記供給口１４ｂより下流側の作動ガス通路１２の方向と、供給口１４ｂでの溶射線材１４の送り込み方向とが直交するように交差しているものである。これにより、アーク１５によって加熱されたあるいはプラズマ化した作動ガス、及び溶射線材１４から生じた溶滴１４ａは、線材案内部材１６の案内によって送り込まれる溶射線材１４の軸心方向に対して直交する方向にノズル１１から噴射することになり、図２に示したように、溶滴１４ａの噴射を基材２０表面に対して直交状態で行うことが容易となる。
【００８０】
また、ノズル１１が回転可能にしてあれば、線材案内部材１６によって送り込まれる溶射線材１４の軸心方向に対して直交する方向に噴射する作動ガスや溶滴１４ａの反作用によって、当該ノズル１１が回転することになるから、基材２０が円筒であっても、被膜２１を形成すべき円筒内面に対する溶射が容易に行えることになるのである。
【００８１】
ところで、この第２実施例に係るアーク溶線式溶射装置１０では、図１に示したように、ノズル１１内に、作動ガス通路１２と略平行に位置する作動ガス副路１２ａが形成してある。この作動ガス副路１２ａは、ノズル本体１１Ａ内の作動ガス通路１２に連通するものであり、アーク１５によって加熱あるいはプラズマ化されない作動ガスを、ノズル１１内の作動ガス通路１２の周囲に送り込んで、溶滴１４ａ等と同じ方向に噴射させるものである。この作動ガス副路１２ａ内を通る作動ガスは、アーク１５によって加熱あるいはプラズマ化されないのであるから、ノズル１１の冷却の役割を果たすものである。なお、この作動ガス副路１２ａから噴射される作動ガスは、作動ガス通路１２から噴射される作動ガスや溶滴１４ａへの「サーマルピンチ」（噴射している高温ガスの周囲を囲んで冷却することにより、この高温ガスを噴射方向の軸心に集中させる物理的効果）効果も生じさせることもできる。
【符号の説明】
【００８２】
１０ アーク溶線式溶射装置
１１ ノズル
１１Ａ ノズル本体
１２ 作動ガス通路
１２ａ 作動ガス副路
１３ 電極
１４ 溶射線材
１４ａ 溶滴
１４ｂ 供給口
１５ アーク
１６ 線材案内部材
１７ 電源
１８ 線材送り装置
１９ａ 絶縁部材
１９ｂ 電源接続部
１９ｃ 作動ガス供給口
２０ 基材
２１ 被膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶射装置に関し、特に、電極とノズル間にアークを発生させるようにしたアーク溶線式溶射装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
素材の表面の改質を行う方法としての溶射技術は、非特許文献１にも述べられているように、
・殆どの基材に対する被膜形成が行えること
・溶射される材料の種類が広範囲であること
・溶射被膜が形成される基材の寸法に制限がないこと
・被膜の形成速度が速いため、効率的な表面改質法であること
・現場施工が容易であること
等の優れた技術である。
【０００３】
このような溶射技術は、ガス式と電気式との２つに大きく分けられるが、近年では制御が容易であることから、特許文献１及び特許文献２にも示されるように、電気式の溶射技術が種々提案され発達してきている。そして、この電気式の溶射技術は、溶射材料を「アーク」によって加熱する古くからの「アーク溶射法」と、「アーク」によって発生させたプラズマジェットをエネルギー源とする「プラズマ溶射法」と、通電加熱をエネルギー源とする「線爆溶射法」との３つに分けられる。
【０００４】
「アーク溶射法」は、非特許文献１及び２、そして図４にも示すように、２本のノズルを通して連続的に送給される「溶射線材」の先端間に「アーク」を発生させ、このアークによる熱で溶融させた溶射線材を、中間にあるノズルから噴射する空気ジェットによって「溶滴化」し、この溶滴を基材表面に吹き付けて被膜とするものである。換言すれば、この「アーク溶射法」では、２本の「溶射線材」を、２本のノズルを通して連続的に送給しなければならないだけでなく、ノズルから噴射する空気ジェットに常に正確に乗せなければならないものとなっている。
【０００５】
この「アーク溶射法」は、「交流アーク」も「直流アーク」も使用できて、出力を大きくすることによって、溶射速度を高めることができるし、被膜自体の強度や、被膜の基材表面に対する密着強度が「ガス（フレーム）溶射」より高くできるから、効率の良い溶射が行える反面、空気ジェットによって溶滴として吹き飛ばされた後は、加熱されないため温度が低下することとなる。また、この「アーク溶射法」では、溶射線材の送給速度が出力に対して低すぎると、溶滴の過熱及び酸化が生じ、場合によっては、溶射線材の合金元素の損失を生じて被膜の化学組成が大きく変化することになる。
【０００６】
一方、電気式の溶射技術の中の「プラズマ溶射法」は、非特許文献１にも述べられているように、「直流アーク」のみによって発生させた「プラズマ」をエネルギー源として溶射を行うもので、上記「アーク溶射法」の一種である。そして、この「プラズマ溶射法」は、非特許文献２にも述べられているように、
・プラズマのエネルギー密度が高いので、セラミックス等の高融点材料を溶融し、高速度に加速して溶射できること
・基材に対するプラズマの熱影響を小さくすることができて、プラスチック等の低融点基材へも容易に成膜できること
・溶融粒子の急冷凝固やプラズマ中での反応を利用して、種々な被膜組織が形成できること
等の長所があるものである。
【０００７】
また、この「プラズマ溶射法」は、非特許文献１にも述べられているように、エネルギー源として、「プラズマアーク」を使用するものと、「プラズマジェット」を使用するものと、の２形態のものが実用化されている。「プラズマアーク」を使用するものは、図５の（ａ）に示すように、プラズマトーチ内の陰極と、基材自体が構成することになる陽極との間にアークを発生させ、このアークを取り囲むように、ノズルから作動ガスを旋回流として基材に送り込むものである。
【０００８】
「プラズマジェット」をエネルギー源として使用するものは、図５の（ｂ）に示すように、ノズル内に陰極及び陽極を並存させておき、これらの両極間にアークを発生させながら作動ガスを旋回流として給送するものである。これにより、作動ガスはアークによってプラズマ化されて、ノズルの先端から超高温の「プラズマジェット」となって噴出されることになる。
【０００９】
図５の（ａ）に示す「プラズマアーク」ではアークの陽極点加熱であるのに対し、図５の（ｂ）に示す「プラズマジェット」では高温流による加熱である。このため、前者の基材の加熱効果は後者のそれに比べて遙かに高く、基材面を加熱しない方がよいという表面改質法の原則からすると、溶射技術の殆どには「プラズマジェット」が用いられていることになる。
【００１０】
しかしながら、この「プラズマ溶射法」でも、上記の「アーク溶射法」と同様に、溶射材料の送給速度が出力に対して低すぎると、溶滴の過熱及び酸化が生じ、溶射線材の合金元素の損失を生じて被膜の化学組成が大きく変化するという問題が無い訳ではないし、直流電源が必要でもある。
【００１１】
そこで、２陽極とプラズマトリミング部を備えた溶射装置が提案されていることが、非特許文献１に記載されている。この溶射装置では、１個の陰極トーチに対応して、軸対称となるべき２個の陽極トーチを有していて、プラズマトリミング部にて高温のジェットを除去することによって、基材や被膜の過熱を防ぐようにしているものである。さらに、この溶射装置では、陰極及び陽極を、アルゴンあるいは窒素ガス等の不活性ガスによって保護するようにしている。
【００１２】
逆に言えば、非特許文献１に記載されている溶射装置では、溶射材料として原価の高い「粉末状」のものを採用しなければならないだけでなく、直流電源が必要でもあることから、装置全体が非常に複雑になっている。
【００１３】
これに対して、前述の図４に示す溶射装置では、直流電源でも交流電源でも使用できて、原価の安い「溶射線材」が使用できるため構造が簡単ではあるが、溶滴の過熱及び酸化が生じ、溶射線材の合金元素の損失を生じて被膜の化学組成が大きく変化するという問題が残ったままである。さらに、この図４の装置も、非特許文献２の装置も、ノズルと電極間に「アーク」を発生させるのであるから、非特許文献２の「プラズマ溶射ガン」という項目中にも記載されているように、このアークの発生によってノズルや電極が消耗したり溶損したりする。そのために、これらのノズルや電極は、冷却水循環装置によって冷却しなければならないものとなっているのである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００２−２０６１５９号公報、要約
【特許文献２】特許第３６６１０１７号掲載公報
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】新版溶射工学（産報出版株式会社１９９６年発行、著者 蓮井 淳）
【非特許文献２】溶射工学便覧（日本溶射協会２０１０年発行）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
ところで、特許文献１には、「アークを安定に維持して安定な動作を行わせるとともに、溶射用線材の霧化を効率よく行わせることができるアーク溶射装置を提供する」ことを目的としてなされた「アーク溶射方法及び装置」に関する発明が提案されている。
【００１７】
この特許文献１にて提案されている「アーク溶射方法及び装置」は、図７にも示すように、「２本の線材ガイド管５Ａ及び５Ｂにより溶射用線材１１Ａ及び１１Ｂをガイドしつつ目標点Ｃに向けて送給し、線材１１Ａ及び１１Ｂの先端を接触させてアークを発生させる。目標点Ｃ付近に一次ガス流の集合点Ａを設定し、２本の線材ガイド管５Ａ及び５Ｂが配置された領域よりも外側の領域から溶射軸線に対して傾斜した方向に沿って集合点Ａに向けて流れるビーム状の一次ガス流を生じさせ、この一次ガス流を線材の先端の溶融部分に吹き付けることにより溶融金属を霧化させる」ものである。
【００１８】
従って、この特許文献１の「アーク溶射方法及び装置」は、図４に示す「アーク溶射装置」と基本原理が同じで、「アークを安定に維持して安定な動作を行わせるとともに、溶射用線材の霧化を効率よく行わせることができる」ものではあっても、図４の「アーク溶射装置」に関連する上述した長所と短所を有しているものである。
【００１９】
特に、この特許文献１の「アーク溶射方法及び装置」は、「２本の線材ガイド管５Ａ及び５Ｂ」を必要としているものであって、溶射材料として「２本の線材」を使用するものであるから、例えば、鉄橋を構築している非常に多数のリベットやボルト・ナットの錆止めや、エンジンのシリンダ内の表面処理を、この種の溶射技術によって行うことは非常に困難である。何故なら、小さな突起の全外周や円筒内面を２本の線材を使用しながら溶射しようとすると、これら２本の線材を供給しながら突起や円筒の周りに回転させる必要があるからであり、そのようにするには更に大型の装置が必要になるからである。このことは、図４に示した装置に付いても同様に言えることである。
【００２０】
一方、特許文献２の技術は、本願の発明者が提案したものであるが、図６にも示すように、「吐出口金６０の先端部中央に、溶滴８１の吐出方向を変換する突起６３を形成するとともに、吐出口金６０の後端に、当該吐出口金６０から突出して、外筒１０内に収納したエア噴出筒５０内に配置される複数のアーム部６５を一体化することにより、回転エアが噴出されるエア噴射空間６６を形成して、エア噴出空間６６の外側であって外筒１０の直ぐ内側に、回転エア室５２を介在させた状態でエア噴出筒５０を配置した」ものであり、燃料ガスを燃焼させた熱エネルギーによって溶射材料を溶融させる、所謂「ガス溶線式溶射装置」である。
【００２１】
この特許文献２の技術は、「エア噴出筒５０に形成した多数のエア噴出口５３から噴出するエアによって吐出口金６０に回転力を与える」ようにしたものであり、円筒状の基材内面への溶射が行えるようにした」、非常に有用なものではあるが、本発明者は、電気式のものに比較すると、制御方法に少し難があると考えたのである。
【００２２】
そこで、本発明者は、この種の溶射装置について、
（ａ）直流電源でも交流電源でも使用可能な電気式の溶射装置
（ｂ）電極の消耗や溶損が避けられる溶射装置
（ｃ）溶射材料として、安価な線材が使用できる溶射装置
（ｄ）簡単な構造で大型な冷却装置は必要でない溶射装置
とするにはどうしたらよいか、について種々検討を重ねてきた結果、本発明を完成したのである。
【００２３】
すなわち、本発明の目的とするところは、電気式であって直流電源でも交流電源でも使用可能で、電極の消耗や溶損が避けられ、溶射材料として安価な線材が使用できて、構造が簡単で大型な冷却装置も必要ではない溶射装置を提供することにある。
【００２４】
さらに、本発明の他に目的とするところは、上記の目的が達成できる他、１本だけの溶射線材を使用するようにして、ノズルを回転させるようにしたときでも、溶射線材の送りが行える簡単な構造の溶射装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
以上の課題を解決するために、まず、請求項１に係る発明の採った手段は、後述する実施形態の説明中で使用する符号を付して説明すると、
「ノズル１１内の作動ガス通路１２に、電極１３と、導電材料によって形成されて、作動ガス通路１２内に順次送り込まれる溶射線材１４の先端とを臨ませるとともに、
これらの電極１３及び溶射線材１４との間に通電することにより、これらの間に発生させたアーク１５によって、溶射線材１４の先端を溶融し、
この溶融された溶射線材１４の先端を、作動ガス通路１２内を送り込まれて来る作動ガスによって溶滴１４ａにしながら、ノズル１１から噴射させるようにしたことを特徴とするアーク溶線式溶射装置１０」
である。
【００２６】
この請求項１に係るアーク溶線式溶射装置１０の基本構成は、図１及び図２に示すように、ノズル１１内の作動ガス通路１２に、互いに対極する状態で、電極１３及び溶射線材１４の先端を臨ませて、これらの電極１３及び溶射線材１４の先端に発生させたアーク１５によって溶射材料を溶融し、作動ガス通路１２内に送り込まれて来る作動ガスにより、溶融した溶射線材１４の先端を溶滴化（溶滴１４ａ）するようにしたものである。
【００２７】
このアーク溶線式溶射装置１０において重要なことは、電極１３に対極するものを、導電材料によって形成され、作動ガス通路１２内に順次送り込まれて溶滴１４ａとなる溶射線材１４によって構成した、つまり「１本」の溶射線材１４で溶射が行えるようにしたことである。換言すれば、作動ガス通路１２内で電極１３に対極するものを、基材２０上の被膜２１となるべき溶射線材１４の先端によって構成するとともに、この溶射線材１４の先端が作動ガス通路１２内に順次送り込まれて溶滴１４ａとなるようにしたことが、本発明に係るアーク溶線式溶射装置１０の最大特徴なのである。
つまり、このアーク溶線式溶射装置１０は、上記の （ａ）の「電気式の溶射装置」となっているのである。なお、電極１３については、導電性のものであることは勿論、溶滴１４ａとはならないものによって構成し、固定的なものとしておけばよいものである。
【００２８】
溶射線材１４を電極とすることは、上述した「アーク溶射法」において既に採用されてきていることではあるが、従来のアーク溶射法では、必ず「２本」の溶射線材によってアークを発生させるようになっていて、２本の溶射線材を送り装置によって送り込み、溶滴が一定の（交差）点、つまり空気ジェットが送られる先で発生し得るように送り速度を調整しなければならない。
【００２９】
ところが、本発明に係るアーク溶線式溶射装置１０では、一方の電極となるべき１本の溶射線材１４を送り速度を調整しながら作動ガス通路１２内に向けて送らなければならないが、電極１３は固定的でかつ非消耗部分としてその送り調整を全く不要としているだけでなく、この電極１３は作動ガス通路１２内に臨んでいることから、作動ガス通路１２内を送り込まれてくる作動ガスによって冷却されることにもなるのである。
【００３０】
勿論、この溶射線材１４は、電極１３との間にアーク１５を発生させなければならないから、導電性のものである必要があるが、一般的には基材２０上の被膜２１とすべきものは導電性のある金属が多いから、特に問題となることはない。むしろ、粉体とする必要がないことから、一般的な金属棒材を採用すればよく、１００％被膜２１となることはない溶射材料として、安価なものでよいことになって、非常に効率的なアーク溶線式溶射装置１０となるのである。つまり、本発明に係るアーク溶線式溶射装置１０は、上記の （ｃ）の「溶射材料として、安価な線材が使用できる溶射装置」となっているのである。
【００３１】
この一方の電極となる溶射線材１４は、例えば図１に示すような線材案内部材１６によってノズル１１内に案内供給すればよいし、しかも１本だけ使用すればよいから、当該アーク溶線式溶射装置１０全体の構成を簡略化し得るものである。そして、この溶射線材１４を案内する線材案内部材１６に電源１７の一方を接続し、電極１３側にこの電源１７の他方を接続すれば、ノズル１１内の作動ガス通路１２にて対極している溶射線材１４と電極１３との間に通電され、これらの溶射線材１４の先端及び電極１３間にアーク１５を発生させることが簡単な構成によって形成できるのである。
【００３２】
換言すれば、本発明に係るアーク溶線式溶射装置１０は、電気式の溶射装置であって、交流電源でも直流電源も採用できるものであり、使用の汎用性が高いものとなっているのである。なお、電源として直流を採用する場合には、溶射線材１４側をカソード（陰極）とすることが好ましい。つまり、本発明に係るアーク溶線式溶射装置１０は、上記の（ａ）の「直流電源でも交流電源でも使用可能な溶射装置」となっているのである。
【００３３】
この場合、作動ガス通路１２内に送り込まれて来る作動ガスを加熱するアーク１５が交流電源によって発生されるのであれば、このアーク１５の到達点において加熱されることになり、このアーク１５の到達点の周囲に存在する作動ガスがプラズマ化される。一方、アーク１５が直流電源によって発生されるのであれば、作動ガスは直接的にプラズマ化されて高温化することになる。何れの場合も、プラズマ化された作動ガスは、溶射材料１４の先端を溶滴１４ａとすることになるし、アーク１５の発生地点より後流側に至っても十分な熱エネルギーを保存していて、各溶滴１４ａが被膜になるまでの温度維持を確保することになる。
【００３４】
また、この請求項１のアーク溶線式溶射装置１０においては、電極の一方を、ノズル１１内の作動ガス通路１２に順次送り込まれる１本の溶射線材１４によって構成し、電極１３をノズル１１自体あるいはその一部に形成した電気式溶射装置であるから、図１にも示すように、ノズル１１への溶射線材１４の供給方向と溶射方向（溶滴１４ａの噴射方向）との角度を９０度以内のものとすることができる。
【００３５】
このことは、例えば、鉄橋を構築している非常に多数のリベットやボルト・ナットの錆止めや、エンジンのシリンダ内の表面処理を非常に容易に行えることを意味している。リベットやボルト・ナットは、鉄橋を構築している鉄骨の大きな平面に対して僅かに突出している突起となっているものであるが、このような突起に溶射を行おうとすれば、直ぐ直前に立ちはだかっている鉄骨の大きな平面が作業の邪魔になる。ところが、この請求項１のアーク溶線式溶射装置１０においては、ノズル１１への溶射線材１４の供給方向と溶射方向との角度がせいぜい９０度以内であるから、溶射線材１４や電源コードと鉄骨平面とが干渉し合うことなく、ノズル１１の溶射口を、各突起の正面は勿論、周囲側面に対しても向けることができるからである。
【００３６】
また、表面処理すべき対象、つまり基材２０が、シリンダなどの円筒内面であっても、この円筒の開口からノズル１１を円筒内に差し込むとともに、このノズル１１を少し傾斜させながら自身または円筒側を回転させれば、溶射線材１４や電源コードがこの円筒に干渉することなく、溶射が行えることになる。
【００３７】
以上のアーク溶線式溶射装置１０を作動させると、従来のアーク溶射法の場合と同様に、電極である溶射線材１４の先端と、固定的な電極１３との間に、図１及び図２に示すように、アーク１５が発生する。このアーク１５は、作動ガス通路１２内を流れている、圧縮空気、アルゴンガス、窒素ガス等の作動ガスを、加熱あるいはプラズマ化して高温にするから、この高温作動ガスによって溶射線材１４の先端が順次溶融することは上述した通りである。また、アーク１５が発生する近傍を含めて、作動ガス通路１２内には作動ガスが高速で流れているのであるから、溶融した溶射線材１４は、これに吹き飛ばされるようにして溶滴１４ａとなるのである。
【００３８】
ここで、溶滴１４ａを吹き飛ばした後の作動ガスは、外気によってある程度まで冷却されるが、もとものこの作動ガスは、非常に高速で基材２０に向けて噴射されているし、アーク１５によって加熱されてプラズマ化されているから、上述したように、基材２０に到達するまでの時間程度では、溶滴１４ａを固化させる程冷却されることはない。つまり、基材２０の上に被膜２１を形成すべく確実に溶射されるのである。
【００３９】
作動ガスによって吹き飛ばされた溶滴１４ａは、作動ガス通路１２の開口部から溶融状態を維持したまま基材２０表面に向けて飛ばされる、つまり溶射されるから、基材２０の表面に付着して固形化することにより、目的の被膜２１となるのである。勿論、溶滴１４ａとなるべき溶射線材１４は、順次送られるのであるから、溶滴１４ａが途切れることはなく、しかもアーク１５の発生は安定化されるのである。
【００４０】
一方、作動ガス通路１２内に露出している電極１３は、当該作動ガス通路１２内を流れる作動ガスに触れているのであるから、そのアーク１５より上流側が常に冷却されることになって、この電極１３は、ある程度の耐熱性のあるものであれば、「アーク溶射法」の場合と異なって、溶融することはなく、まして、溶滴１４ａとして吹き飛ばされることもない。つまり、本発明に係るアーク溶線式溶射装置１０は、上記の（ｂ）の「電極の消耗や溶損が避けられる溶射装置」となっているのであるし、他方の電極１３のための冷却装置は殆ど必要ないのであるから、（ｄ）の「構造が簡単で大型な冷却装置は必要でない溶射装置」ともなっているのである。
【００４１】
ところで、図５あるいは図６に示す従来の装置では、ノズルと電極間に「アーク」を発生させるのであるから、このアークの発生によってノズルや電極が消耗したり溶損したりするということがあったが、本発明に係るアーク溶線式溶射装置１０では、一方の電極が溶射線材１４そのものであり、この溶射線材１４自体は、アーク１５によって加熱されることにより溶滴１４ａとなる、つまり「溶損」することを前提としているものである。
【００４２】
この溶射線材１４自体が溶損するものであっても、当該溶射線材１４はそれを見越して線材送り装置１８などによって作動ガス通路１２内に送り込まれるのであるから、この溶射線材１４自体の言わば「溶損」は全く問題がない。それだけでなく、この溶射線材１４自体の溶損は、アーク１５の熱エネルギーを溶滴１４ａの形成のために使用することを意味しているから、アーク１５の熱エネルギーは、電極１３の消耗または溶損のためには使用されない。換言すれば、本発明に係るアーク溶線式溶射装置１０では、電極１３については、消耗または溶損しないのである。
【００４３】
従って、この請求項１に係るアーク溶線式溶射装置１０は、電気式であって直流電源でも交流電源でも使用可能で、電極１３の消耗や溶損が避けられ、溶射材料として安価な線材１４が使用できて、構造が簡単で大型な冷却装置も必要ではないものとなっているのである。
【００４４】
また、上記課題を解決するために、請求項２に係る発明の採った手段は、上記請求項１に記載のアーク溶線式溶射装置１０について、
「電極１３を、溶射線材１４を構成している材料よりも高い融点の金属、またはその合金、あるいは複合体によって形成したこと」
である。
【００４５】
電極１３は、上述したように、作動ガス通路１２内に広く露出していて、作動ガス通路１２内を流れる作動ガスによって冷却されるものではあるが、溶射線材１４の先端との間に発生するアーク１５の到達場所でもあるから、これを消耗しにくいタングステンまたはその合金、あるいは複合体によって形成しておけば、その耐久性は格段に向上することは言うまでもない。溶射線材１４を構成している材料よりも高い融点の金属とし得るものとしては、タングステン、タンタル、モリブデンあるいはクロムがある。なお、複合体としては、例えば「銀タン」と呼ばれる銀とタングステンとの複合物を言い、タングステンとは合金化されない他の金属との複合物を言うものとする。
【００４６】
従って、この請求項２のアーク溶線式溶射装置１０は、上記請求項１のそれと同様な機能を発揮する他、電極１３がより耐久性が高いものとなっているのである。
【００４７】
さらに、上記課題を解決するために、請求項３に係る発明の採った手段は、上記請求項１または請求項２に記載のアーク溶線式溶射装置１０について、
「ノズル１１内に存在する作動ガス通路１２内に、溶射線材１４の供給口１４ｂを開口させるとともに、この供給口１４ｂより下流側の作動ガス通路１２の方向と、供給口１４ｂでの溶射線材１４の送り込み方向とが交差し得るようにしたこと」
である。
【００４８】
この請求項３に係るアーク溶線式溶射装置１０は、図１〜図３に示すように、供給口１４ｂより下流側の作動ガス通路１２の方向と、供給口１４ｂでの溶射線材１４の送り込み方向とを交差させて、溶射線材１４の送り制御と、アーク１５を発生させる電源条件とを緩和するようにしている。
【００４９】
アーク１５の発生時期及び回数は、電極１３と溶射線材１４の先端との間の距離及び電圧の大きさによって決定されるが、これらは溶射線材１４の送り速度の調整、及び電源１７での電圧制御に大きく依存する。ところが、本発明に係るアーク溶線式溶射装置１０では、供給口１４ｂより下流側の作動ガス通路１２の方向と、供給口１４ｂでの溶射線材１４の送り込み方向とを交差させていることによって、溶射線材１４の先端が電極１３に直接接触するまでの時間に余裕ができ、溶射線材１４の送り速度に変化があっても、または電源１７の電圧に変化があっても、安定したアーク１５の発生が行えるのである。
【００５０】
また、本発明に係るアーク溶線式溶射装置１０では、供給口１４ｂより下流側の作動ガス通路１２の方向と、供給口１４ｂでの溶射線材１４の送り込み方向とを交差させていることによって、溶射線材１４が他方の電極１３に対する距離が部分で異なる太さのあるものであっても、あるいは溶融した部分が溶射線材１４の先端に残っていたとしても、図１にも示すように、これらの部分の内電極１３に近い部分が先に溶滴１４ａとなり、溶射線材１４の送り速度に変化があっても、または電源１７の電圧に変化があっても、安定したアーク１５の発生が行えるのである。
【００５１】
さらに、本発明に係るアーク溶線式溶射装置１０では、供給口１４ｂより下流側の作動ガス通路１２の方向と、供給口１４ｂでの溶射線材１４の送り込み方向とを交差させていることによって、この溶射線材１４の溶融した先端が、作動ガス通路１２内の作動ガスの流れに対して直交することはないのであるから、この直交する場合に比較すれば、溶射線材１４の溶融した先端が作動ガスの流れ中に長時間存在し得ることになり、溶射線材１４の溶融した先端が効果的に飛散するのである。
【００５２】
特に、図２及び図３に示すアーク溶線式溶射装置１０では、供給口１４ｂより下流側の作動ガス通路１２の方向と、供給口１４ｂでの溶射線材１４の送り込み方向とが直角に交差しているため、作動ガス通路１２内のアーク１５が発生する直前までの他方の電極１３の冷却を、この作動ガス通路１２内を流れる作動ガスによってより効果的に行えるものとなっているのである。
【００５３】
従って、この請求項３に係るアーク溶線式溶射装置１０は、上記請求項１または２のそれと同様な機能を発揮する他、アーク１５の発生の安定化と、他方の電極１３の冷却とを効果的に行えるものとなっているのである。
【００５４】
そして、上記課題を解決するために、請求項４に係る発明の採った手段は、上記請求項１〜請求項３のいずれかに記載のアーク溶線式溶射装置１０について、
「電極１３を、溶射線材１４に対して回転可能にしたこと」
である。
【００５５】
すなわち、この請求項４に係るアーク溶線式溶射装置１０では、図３にも参考的に示すように、ノズル本体１１Ａ内に一方の電極１３となるべき１本の溶射線材１４を直線的に送り込むようにするとともに、ノズル本体１１Ａの先端に電極１３の他方でもあるノズル１１を、１本の溶射線材１４の回りに、つまり溶射線材１４に対して回転可能にしたものである。
【００５６】
以上の結果、この請求項４のアーク溶線式溶射装置１０においては、作動ガス通路１２の開口から噴出される高温化された作動ガス及び溶滴１４ａの反作用によって、他方の電極１３、つまりノズル１１が、１本の溶射線材１４を中心に回転し得ることになるのである。これにより、溶射線材１４側となるノズル本体１１Ａを、作業者の手やロボットのハンドによって固定的にしておけば、当該アーク溶線式溶射装置１０は、円筒内にノズル本体１１Ａの先端を挿入すれば、この円筒内面全体への溶射が行えることになるのである。
【００５７】
特に、このアーク溶線式溶射装置１０においては、電極の一方を、ノズル１１内の作動ガス通路１２に順次送り込まれる１本の溶射線材１４によって構成し、電極１３をノズル１１自体あるいはその一部に形成した電気式溶射装置であって、電極１３が溶射線材１４に対して回転可能になっていて、しかも、このアーク溶線式溶射装置１０は、ノズル１１への溶射線材１４の供給方向と溶射方向（溶滴１４ａの噴射方向）との角度を９０度となるようにしているのであるから、エンジンのシリンダ等の円筒内の表面処理を非常に容易に行えるものである。
【００５８】
何故なら、このアーク溶線式溶射装置１０のノズル１１を円筒内に差し込んで、溶射を開始すれば、ノズル１１は、溶滴１４ａを内周壁に吹き付けながら自ら回転するから、例えばノズル本体１１Ａは円筒に対して上下させるだけで、円筒内面の全てに溶射による被膜２１が形成できるからである。勿論、このときに、１本の溶射線材１４自身や、これと電源コードが絡み合うことは全くなく、上述したノズル本体１１Ａの円筒に対する上下操作のみによって、円筒内への被膜２１の形成が非常に容易に行えるのである。
【００５９】
従って、この請求項４に係るアーク溶線式溶射装置１０は、上記請求項１〜３の何れかに係るそれと同様な機能を発揮する他、円筒内の溶射も行えるものとなっているのである。
【発明の効果】
【００６０】
以上の通り、本発明においては、
「ノズル１１内の作動ガス通路１２に、電極１３と、導電材料によって形成されて、作動ガス通路１２内に順次送り込まれる溶射線材１４の先端とを臨ませるとともに、
これらの電極１３及び溶射線材１４との間に通電することにより、これらの間に発生させたアーク１５によって、溶射線材１４の先端を溶融し、
この溶融された溶射線材１４の先端を、作動ガス通路１２内を送り込まれて来る作動ガスによって溶滴１４ａにしながら、ノズル１１から噴射させるようにしたこと」
にその構成上の主たる特徴があり、これにより、直流電源でも交流電源でも使用可能で、電極１３の消耗や溶損が避けられ、溶射材料として安価な線材１４が使用できて、構造が簡単で大型な冷却装置も必要ではないアーク溶線式溶射装置１０を提供することができるのである。
【００６１】
特に、このアーク溶線式溶射装置１０は、
（ａ）直流電源でも交流電源でも使用可能な電気式溶射装置
（ｂ）電極１３の消耗や溶損が避けられる溶射装置
（ｃ）溶射材料として、安価な線材１４が使用できる溶射装置
（ｄ）構造が簡単で大型な冷却装置は必要でない溶射装置
といった要望の全てを実現することができるのである。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明に係るアーク溶線式溶射装置１０の概略を示す断面図である。
【図２】請求項３に係るアーク溶線式溶射装置１０の概略を示す部分断面図である。
【図３】同アーク溶線式溶射装置１０の概略を示すもので、（ａ）は部分断面図、（ｂ）は部分平面図である。
【図４】従来のアーク溶射装置の概略を示す断面図である。
【図５】従来のアーク溶射装置（ａ）とプラズマ溶射装置（ｂ）の概略をそれぞれ示す断面図である。
【図６】特許文献２に示されたプラズマ溶射装置の概略を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００６３】
次に、上記のように構成した各請求項に係る発明を、図面に示した実施の形態であるアーク溶線式溶射装置１０について説明すると、図１には本発明の第１実施例に係るアーク溶線式溶射装置１０が、また、図２及び図３には本発明の第２実施例に係るアーク溶線式溶射装置１０が、概略的に示してある。
【００６４】
まず、これらの第１実施例及び第２実施例に係るアーク溶線式溶射装置１０のそれぞれを説明する前に、これらに共通する部分から説明すると、次の通りである。これらのアーク溶線式溶射装置１０は、ノズル１１内の作動ガス通路１２に、互いに対極する状態で、電極１３と溶射線材１４の先端とを臨ませて、これらの電極１３及び溶射線材１４の先端間に発生させたアーク１５によって溶射材料１４の先端のみを溶融し、作動ガス通路１２内に送り込まれて来る作動ガスにより、溶融した溶射材料１４の先端を溶滴化するようにしたことを基本とするものである。
【００６５】
そして、本発明に係るアーク溶線式溶射装置１０で重要なことは、互いに対極する電極の内の一方を、溶射線材１４によって構成したことである。この溶射線材１４は、アーク１５の基点あるいは到達点となるもの、つまり導電材料によって形成されて「電極」をも構成するものであり、しかも、作動ガス通路１２内に順次送り込まれながら、アーク１５によって加熱されて溶滴１４ａとなるものである。
【００６６】
ここで、安定的な溶射が行えるためには、溶射線材１４の送りと、この溶射線材１４に対する通電が問題になるが、本発明に係るアーク溶線式溶射装置１０では、この溶射線材１４の送りについては、溶射線材１４と他方の電極１３間の電圧または電流の計測と、これに基づく線材送り装置１８等の制御によって、溶射線材１４の送り調整を行うようにしている。アーク１５の発生は、この溶射線材１４の先端と電極１３との距離、及びその間の電圧または電流の大きさによるからである。
【００６７】
また、溶射線材１４に対する通電は、例えば、導電性の線材案内部材１６内に常に接触するようにしながら、当該溶射線材１４を作動ガス通路１２内に送り込むようにするとともに、当該溶射線材１４を導電材料によって構成することによって行っている。勿論、この線材案内部材１６と電極１３とは、例えば図２に示したように、絶縁させておくことは言うまでもない。
【００６８】
これに対して、電極１３は、アーク１５によって加熱されても「溶滴」とはならないものである。この電極１３がアーク１５によって加熱されても「溶滴」とはならないのは、作動ガス通路１２内に面したものであること、またこの作動ガス通路１２内を流れる作動ガスによって常に冷却されていることによる。勿論、この電極１３自体を、溶射線材１４を構成している材料よりも高い融点の金属、例えばタングステンやその合金、あるいは複合体等の、導電性があって耐熱性に優れた材料によって形成しておけば、アーク１５によって加熱されても、より一層「溶滴」とはならないことは言うまでもない。 つまり、本発明に係るアーク溶線式溶射装置１０は、電気式の溶射装置であって、交流電源でも直流電源も採用できるものであり、使用の汎用性が高いものとなっているのである。
【００６９】
（実施例１）
図１には、本発明の第１実施例に係るアーク溶線式溶射装置１０の概略が示してある。このアーク溶線式溶射装置１０では、人の手やロボットのアームによって動かされるノズル１１内に作動ガス通路１２が形成してあって、この作動ガス通路１２はノズル１１の一部にて開口させてある。勿論、図１中の白抜き矢印にて示したように、この作動ガス通路１２内には作動ガスが図示しない装置によって供給されるのであるが、この作動ガスとしては、圧縮空気、一酸化炭素、アルゴンガスや窒素ガス等の不活性ガスが採用される。
【００７０】
この作動ガスが流れる作動ガス通路１２内には、電極１３が比較的広い面積で露出するようにしてあり、この電極１３に溶射線材１４の先端が対極するように、溶射線材１４の出口である供給口１４ｂが開口させてある。この供給口１４ｂからは、線材案内部材１６にて案内されながら送られて来る溶射線材１４が作動ガス通路１２内に突出することになるが、この溶射線材１４の突出角度は、他方の電極１３の露出面に対して傾斜するように設定してある。この溶射線材１４の、他方の電極１３の露出面に対する傾斜角度は、当該溶射線材１４の案内方向、ノズル１１自体の構造、及び溶滴１４ａが他方の電極１３に付着しないようにすることを考慮すると、２０度〜６０度が好ましい。
【００７１】
以上の線材案内部材１６と電極１３との間に給電する電源１７としては、上述したように、交流電源でも直流電源でもよいのであるが、アーク１５によってプラズマジェットを発生させたい場合には、直流電源を採用するとよい。この直流電源を電源１７として採用する場合には、線材案内部材１６側をカソードつまり陰極とするとよい。
【００７２】
（第２実施例）
図２及び図３には本発明の第２実施例に係るアーク溶線式溶射装置１０が示してあるが、この第２実施例のアーク溶線式溶射装置１０と上記第１実施例のそれと異なる点は、ノズル１１内に作動ガス通路１２を形成したことと、この作動ガス通路１２の溶射線材１４が送り込まれる部分の方向と溶射線材１４以降の部分の方向とが互いに傾斜させてあることである。なお、この第２実施例のアーク溶線式溶射装置１０と上記第１実施例のそれと共通する部分については、図２及び図３中に同一符号を付してその説明を省略することがある。
【００７３】
この第２実施例のアーク溶線式溶射装置１０におけるノズル１１は、図２及び図３の（ａ）にて示したように、その中心部分に作動ガス通路１２を形成しておいて、この作動ガス通路１２の上流側部分内に、溶射線材１４を案内するための線材案内部材１６の先端部分が挿入できるようにしてある。また、このアーク溶線式溶射装置１０における作動ガス通路１２は、図３に示したように、ノズル１１が組み付けられるべきノズル本体１１Ａ内に連通しているものであり、このノズル本体１１Ａ内に供給される作動ガスが、当該ノズル１１内の作動ガス通路１２に供給できるようにしてある。
【００７４】
この第２実施例におけるアーク溶線式溶射装置１０での溶射線材１４の送りは、図３の（ａ）にて示したように、互いに対向して溶射線材１４を挟み込む一対のピンチローラの一方を、線材送り装置１８によって回転駆動制御することにより行うようにしている。勿論、これら一対のピンチローラの送り出し方向は、ノズル本体１１Ａの軸心方向と一致しているものであり、例えば、ロールに巻き取られた長尺な溶射線材１４の曲がり癖を、これら一対のピンチローラによる挟み込みによって直線状態に直しながら、当該溶射線材１４の送り込みを行うようにしているのである。勿論、この線材送り装置１８は、１本の溶射線材１４の送り込みを行うものであるから、「１台」でよい。
【００７５】
また、このアーク溶線式溶射装置１０におけるノズル本体１１Ａは、図３の（ａ）にて示したように、図示右端にあって電源１７の一端が接続される電源接続部１９ｂを、絶縁部材１９ａを介して一体化するようにしてあり、この電源接続部１９ｂには線材案内部材１６の一端が固定してある。この線材案内部材１６の他端は、ノズル１１の作動ガス通路１２内に、ノズル１１と非接触状態となるように配置してあって、線材案内部材１６の中間部分は導電性のノズル本体１１Ａ内に浮いた状態に配置してある。そして、このノズル本体１１Ａの一部には、導電性の作動ガス供給口１９ｃが一体化してあり、この作動ガス供給口１９ｃには電源１７の他端が接続されるのである。勿論、ノズル１１は、ノズル本体１１Ａに対して固定的であってもあるいは回転可能であっても、このノズル本体１１Ａに対して電気的に接続されているものである。
【００７６】
以上の結果、当該アーク溶線式溶射装置１０のノズル本体１１Ａでは、電源１７からの電力は、電源接続部１９ｂを介して線材案内部材１６に、また作動ガス供給口１９ｃ及びノズル本体１１Ａを介してノズル１１に、それぞれ供給されることになるのであり、電力が供給されたときには、溶射線材１４の先端と、他方の電極１３、つまりノズル１１との間にアーク１５を発生するのである。
【００７７】
ところで、図３では具体化していないが、ノズル１１はノズル本体１１Ａに対して回転可能に組み付けることができるものである。この場合には、線材案内部材１６をノズル本体１１Ａの長手方向の中心に配置して、この線材案内部材１６による溶射線材１４の送りを、回転可能なノズル１１の中心、つまり当該ノズル１１内の作動ガス通路１２の中心に向けて行うようにする。そうすると、当該ノズル１１は、送られてくる溶射線材１４を中心にして回転できることになり、ノズル１１は、溶射線材１４の送りに影響されることなく、かつノズル１１の中心への溶射線材１４の供給が常になされる状態で回転できることになるのである。
【００７８】
また、ノズル１１内の作動ガス通路１２は、特に図２に示したように、その溶射線材１４が送り込まれる部分の軸心方向は、溶射線材１４の軸心と一致したものであるが、この溶射線材１４の先端部分以降（後流側）の作動ガス通路１２の軸心方向とは交差状態にある。換言すれば、ノズル１１内の作動ガス通路１２については、図２に示したように、線材案内部材１６の先端に形成した溶射線材１４のための供給口１４ｂが開口していて、この供給口１４ｂより下流側の作動ガス通路１２の方向と、供給口１４ｂでの溶射線材１４の送り込み方向とが交差させてある。
【００７９】
この第２実施例における作動ガス通路１２では、上記供給口１４ｂより下流側の作動ガス通路１２の方向と、供給口１４ｂでの溶射線材１４の送り込み方向とが直交するように交差しているものである。これにより、アーク１５によって加熱されたあるいはプラズマ化した作動ガス、及び溶射線材１４から生じた溶滴１４ａは、線材案内部材１６の案内によって送り込まれる溶射線材１４の軸心方向に対して直交する方向にノズル１１から噴射することになり、図２に示したように、溶滴１４ａの噴射を基材２０表面に対して直交状態で行うことが容易となる。
【００８０】
また、ノズル１１が回転可能にしてあれば、線材案内部材１６によって送り込まれる溶射線材１４の軸心方向に対して直交する方向に噴射する作動ガスや溶滴１４ａの反作用によって、当該ノズル１１が回転することになるから、基材２０が円筒であっても、被膜２１を形成すべき円筒内面に対する溶射が容易に行えることになるのである。
【００８１】
ところで、この第２実施例に係るアーク溶線式溶射装置１０では、図１に示したように、ノズル１１内に、作動ガス通路１２と略平行に位置する作動ガス副路１２ａが形成してある。この作動ガス副路１２ａは、ノズル本体１１Ａ内の作動ガス通路１２に連通するものであり、アーク１５によって加熱あるいはプラズマ化されない作動ガスを、ノズル１１内の作動ガス通路１２の周囲に送り込んで、溶滴１４ａ等と同じ方向に噴射させるものである。この作動ガス副路１２ａ内を通る作動ガスは、アーク１５によって加熱あるいはプラズマ化されないのであるから、ノズル１１の冷却の役割を果たすものである。なお、この作動ガス副路１２ａから噴射される作動ガスは、作動ガス通路１２から噴射される作動ガスや溶滴１４ａへの「サーマルピンチ」（噴射している高温ガスの周囲を囲んで冷却することにより、この高温ガスを噴射方向の軸心に集中させる物理的効果）効果も生じさせることもできる。
【符号の説明】
【００８２】
１０ アーク溶線式溶射装置
１１ ノズル
１１Ａ ノズル本体
１２ 作動ガス通路
１２ａ 作動ガス副路
１３ 電極
１４ 溶射線材
１４ａ 溶滴
１４ｂ 供給口
１５ アーク
１６ 線材案内部材
１７ 電源
１８ 線材送り装置
１９ａ 絶縁部材
１９ｂ 電源接続部
１９ｃ 作動ガス供給口
２０ 基材
２１ 被膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズル内の作動ガス通路に、電極と、導電材料によって形成されて、前記作動ガス通路内に順次送り込まれる溶射線材の先端とを臨ませるとともに、
これらの電極及び溶射線材との間に通電することにより、これらの間に発生させたアークによって、前記溶射線材の先端を溶融し、
この溶融された前記溶射線材の先端を、前記作動ガス通路内を送り込まれて来る作動ガスによって溶滴にしながら、前記ノズルから噴射させるようにしたことを特徴とするアーク溶線式溶射装置。
【請求項２】
前記電極を、前記溶射線材を構成している材料よりも高い融点の金属、またはその合金、あるいは複合体によって形成したことを特徴とする請求項１に記載のアーク溶線式溶射装置。
【請求項３】
前記ノズル内に存在する前記作動ガス通路内に、前記溶射線材の供給口を開口させるとともに、この供給口より下流側の前記作動ガス通路の方向と、前記供給口での前記溶射線材の送り込み方向とが交差し得るようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアーク溶線式溶射装置。
【請求項４】
前記電極を、前記溶射線材に対して回転可能にしたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のアーク溶線式溶射装置。
【請求項１】
ノズル内の作動ガス通路に、電極と、導電材料によって形成されて、前記作動ガス通路内に順次送り込まれる溶射線材の先端とを臨ませるとともに、
これらの電極及び溶射線材との間に通電することにより、これらの間に発生させたアークによって、前記溶射線材の先端を溶融し、
この溶融された前記溶射線材の先端を、前記作動ガス通路内を送り込まれて来る作動ガスによって溶滴にしながら、前記ノズルから噴射させるようにしたことを特徴とするアーク溶線式溶射装置。
【請求項２】
前記電極を、前記溶射線材を構成している材料よりも高い融点の金属、またはその合金、あるいは複合体によって形成したことを特徴とする請求項１に記載のアーク溶線式溶射装置。
【請求項３】
前記ノズル内に存在する前記作動ガス通路内に、前記溶射線材の供給口を開口させるとともに、この供給口より下流側の前記作動ガス通路の方向と、前記供給口での前記溶射線材の送り込み方向とが交差し得るようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアーク溶線式溶射装置。
【請求項４】
前記電極を、前記溶射線材に対して回転可能にしたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のアーク溶線式溶射装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−４９９００（Ｐ２０１３−４９９００Ａ）
【公開日】平成２５年３月１４日（２０１３．３．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８８６８６（Ｐ２０１１−１８８６８６）
【出願日】平成２３年８月３１日（２０１１．８．３１）
【出願人】（５９６０７１６４８）島津工業有限会社 (3)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月１４日（２０１３．３．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月３１日（２０１１．８．３１）
【出願人】（５９６０７１６４８）島津工業有限会社 (3)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]