プラズマ溶射装置
【課題】溶滴となった粒子表面の酸化を低減することで、酸化物が少ない溶射皮膜を形成することが可能なプラズマ溶射装置の提供。
【解決手段】陰極４０の外周に一次ガス通路１１を形成して陰極４０の先端部を覆う一次ガスノズル１０と、一次ガスノズル１０の外側に配置されて二次ガス通路２１を形成する二次ガスノズル２０と、一次ガスノズル１０と二次ガスノズル２０との間に、プラズマフレームＦの外周部にプラズマフレームＦの熱を受けて高温のガス噴射とするための三次ガスを噴射する三次ガス通路３１を形成する三次ガスノズル３０とを備える。
【解決手段】陰極４０の外周に一次ガス通路１１を形成して陰極４０の先端部を覆う一次ガスノズル１０と、一次ガスノズル１０の外側に配置されて二次ガス通路２１を形成する二次ガスノズル２０と、一次ガスノズル１０と二次ガスノズル２０との間に、プラズマフレームＦの外周部にプラズマフレームＦの熱を受けて高温のガス噴射とするための三次ガスを噴射する三次ガス通路３１を形成する三次ガスノズル３０とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気伝導性のワイヤにプラズマアークを移行させてプラズマフレームを発生させ、ワイヤを溶滴としながら噴射するプラズマ溶射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図７は従来のプラズマ溶射装置を模式的に示した断面図である。図７に示すように、従来のプラズマ溶射装置９０は、一次ガス通路９１ａを形成する一次ガスノズル９１と、一次ガスノズル９１の外側に配置されて二次ガス通路９２ａを形成する二次ガスノズル９２と、一次ガスノズル９１のノズル口９１ｂおよび二次ガスノズル９２のノズル口９２ａの略中心軸上に配置された陰極９３と、電源装置９４と、二次ガスノズル９２のノズル口９２ａの近傍に溶射用の電気伝導性のワイヤＷを供給するワイヤガイド孔９５とを備える。
【０００３】
ワイヤＷは、ワイヤガイド孔９５からノズル口９２ａの中心軸へ向けて斜め前方に供給される。そして、一次ガス通路９１ａから噴出される一次ガスが、電源装置９４の陽極側と二次ガスノズル９２を介して間接的に接続されたワイヤＷと、電源装置９４の陰極側と接続された陰極９３との間に生じるアークによってプラズマ化されてプラズマフレームＦとなり、ワイヤＷを溶滴Ｄとして噴射する。この溶滴Ｄは、二次ガス通路９２ａから二次ガスノズル９２の前方へ噴射される二次ガスによってさらに微細化され、さらに加速されて被処理物Ｔ上に噴射され、溶射被膜Ｓを形成する。
【０００４】
なお、このような従来のプラズマ溶射装置９０においては、一次ガスとして窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスが用いられ、二次ガスとして圧縮エア、窒素ガスや炭酸ガス等のガスが用いられることとなっている（例えば、特許文献１参照。）。しかしながら、実際の運用の場合は、二次ガスとして窒素ガスや炭酸ガス等は運転コスト高となるために、低コストである圧縮エアを利用する。プラズマ溶射装置９０では、この二次ガスである圧縮エアによってプラズマ化された一次ガスを包み込むことにより、プラズマ化された一次ガスの噴射を細くすることができ、しかも一次ガスの高速化を達成することが可能となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−３０８９７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、従来のプラズマ溶射装置９０では、溶融したワイヤＷの溶滴Ｄを二次ガスの噴射によってさらに細かなものとするとともに、各溶滴Ｄに十分な速度を与えているため、溶射皮膜Ｓ中の金属材料は、溶融時に二次ガスである圧縮エアの急激な絞り込みによって、プラズマフレームＦの外周部からかく乱が発生する。そのため、溶滴Ｄとなった粒子の表面が酸化し、溶射皮膜Ｓ中に金属材料の酸化物を含むことになる。
【０００７】
そこで、本発明においては、溶滴となった粒子表面の酸化を低減することで、酸化物が少ない溶射皮膜を形成することが可能なプラズマ溶射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】
【０００８】
本発明のプラズマ溶射装置は、陰極と、この陰極の外周に一次ガス通路を形成して陰極の先端部を覆う一次ガスノズルと、この一次ガスノズルの外側に配置されて二次ガス通路を形成する二次ガスノズルと、この二次ガスノズルのノズル口の近傍へ溶射用のワイヤを供給するワイヤ通路とを備え、ワイヤ通路より供給されるワイヤの先端と陰極との間に生じるアークにより一次ガスノズルから噴射する一次ガスをプラズマ化し、一次ガスノズルより噴射するプラズマフレームを形成してワイヤの先端を溶滴とし、この溶滴をプラズマフレームと二次ガスノズルから噴射する二次ガスによって被処理物上に噴射するプラズマ溶射装置において、一次ガスノズルと二次ガスノズルとの間に、プラズマフレームの外周部にプラズマフレームの熱を受けて高温のガス噴射とするための三次ガスを噴射する三次ガス通路を形成する三次ガスノズルを備えたものである。
【０００９】
本発明のプラズマ溶射装置によれば、一次ガス通路と二次ガス通路との間に配置されている三次ガス通路から噴射される三次ガス流れの内側が、プラズマフレームの熱を受けて高温のガス噴射を形成する。この高温のガス噴射により、その外側に噴射される二次ガスの急激な絞り込みによってプラズマフレームの外周部から発生するかく乱が抑えられ、プラズマフレームの拡散が防止されるので、溶滴となった粒子の表面の酸化が低減される。
【００１０】
ここで、三次ガスとしては圧縮エアや炭酸ガスなどを用いることができるが、三次ガスとしてアルゴンガスや窒素ガスなどの不活性ガスを用いることが望ましい。三次ガスとして不活性ガスを用いた場合には、二次ガスの急激な絞りこみによってプラズマフレームの外周部から発生するかく乱を防止するとともに、プラズマフレームの外周部にプラズマフレームの熱を受けた高温の不活性ガス噴射が形成される。これにより、溶滴の粒子は、高温の不活性ガス噴射の中で微細化され、加速されるため、二次ガスによる酸化から保護される。
【００１１】
また、本発明のプラズマ溶射装置では、一次ガスに圧縮エアを用いた場合であっても、酸化が少ない溶射皮膜を形成することが可能である。一次ガスに圧縮エアを用いた場合、一次ガスには約２０％の酸素を含むことになるが、ガスがプラズマ化している状態では、溶融金属を酸化させる作用が少ないと言われているため、圧縮エアを一次ガスとして用いても、溶射皮膜の酸化は少ないはずである。しかしながら、従来のプラズマ溶射装置では、二次ガスの急激な絞り込みによってプラズマフレームがかく乱された場合には、溶滴の酸化が過度に進むために、一次ガスに圧縮エアを用いた場合、皮膜品質が低下する。一方、本発明のプラズマ溶射装置では、三次ガスによりプラズマフレームの外周部にプラズマフレームの熱を受けた高温のガス噴射を形成して、二次ガスの急激な絞り込みによるプラズマフレームのかく乱を防止できるため、一次ガスに圧縮エアを用いた場合でも酸化が少ない溶射皮膜を形成することができる。
【発明の効果】
【００１２】
（１）一次ガスノズルと二次ガスノズルとの間に、プラズマフレームの外周部にプラズマフレームの熱を受けて高温のガス噴射とするための三次ガスを噴射する三次ガス通路を形成する三次ガスノズルを備えたことにより、プラズマフレームの拡散が防止され、溶滴となった粒子の表面の酸化が低減されるので、酸化物が少ない溶射皮膜を形成することが可能となる。
【００１３】
（２）三次ガスとして不活性ガスを用いた場合、プラズマフレームの外周部にプラズマフレームの熱を受けた高温の不活性ガス噴射が形成され、溶滴の粒子が高温の不活性ガス噴射の中で微細化され、加速されるため、さらに二次ガスによる酸化から保護され、より酸化物が少ない溶射皮膜を形成することが可能となる。
【００１４】
（３）一次ガスとして圧縮エアを用いた場合であっても、三次ガスによりプラズマフレームの外周部にプラズマフレームの熱を受けた高温のガス噴射を形成して、二次ガスの急激な絞り込みによるプラズマフレームのかく乱を防止できるため、酸化が少ない溶射皮膜を形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態におけるプラズマ溶射装置の概略構成図である。
【図２】図１のプラズマ溶射トーチの主要部の詳細を示す縦断面図である。
【図３】図２のＡ矢視図である。
【図４】図１のプラズマ溶射トーチの動作説明図である。
【図５】ワイヤ通路の断面形状とワイヤが受ける力の方向を示す説明図である。
【図６】自然電位測定方法を示す説明図である。
【図７】従来のプラズマ溶射装置を模式的に示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は本発明の実施の形態におけるプラズマ溶射装置の概略構成図、図２は図１のプラズマトーチの主要部の詳細を示す縦断面図、図３は図２のＡ矢視図、図４は図１のプラズマトーチの動作説明図である。
【００１７】
図１において、本発明の実施の形態におけるプラズマ溶射装置１は、プラズマフレームにより溶滴としたワイヤＷを被処理物上に噴射するプラズマ溶射トーチ２と、プラズマ溶射トーチ２へ一次ガスおよび二次ガスを供給するガス供給源３と、プラズマ溶射トーチ２へ動作電力を供給する電源４と、ワイヤＷが巻回されたワイヤリール５と、ワイヤリール５から引き出されるワイヤＷの巻き癖を矯正するワイヤ矯正機６と、ワイヤＷをワイヤ送りチューブ８によりプラズマ溶射トーチ２へ供給するワイヤ供給機構７とを有する。
【００１８】
図２に示すように、プラズマ溶射トーチ２は、一次ガス通路１１を形成する一次ガスノズル１０と、一次ガスノズル１０の外側に配置されて二次ガス通路２１を形成する二次ガスノズル２０と、一次ガスノズル１０と二次ガスノズル２０との間に配置されて三次ガス通路３１を形成する三次ガスノズル３０と、一次ガスノズル１０のノズル口１２および二次ガスノズル２０のノズル口２２の略中心軸上に配置された陰極４０と、二次ガスノズル２０のノズル口２２の近傍へ溶射用のワイヤＷを供給するワイヤ通路５０とを備える。
【００１９】
一次ガスノズル１０は、陰極４０の先端部を覆うように形成されており、陰極４０の外周に一次ガス通路１１を形成している。この一次ガス通路１１に供給される一次ガスは、プラズマフレームを発生させ、ワイヤの先端を溶滴とするためのガスであり、窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスである。あるいは、この一次ガスとして、圧縮エアを用いることも可能である。一次ガス通路１１によって供給される一次ガスは、陰極４０の外周を旋回しながら供給され、一次ガスノズル１０のノズル口１２より二次ガスノズル２０の前方へ噴射される。
【００２０】
三次ガスノズル３０は、一次ガスノズル１０の外側を包み込むように形成されており、一次ガスノズル１０の外周に三次ガス通路３１を形成している。三次ガスは、一次ガスにより発生させるプラズマフレームの外周部にプラズマフレームの熱を受けて高温のガス噴射を形成するためのガスであり、圧縮エアや炭酸ガス等のガスである。二次ガスノズル２０は、三次ガスノズル３０の外側を包み込むように形成されており、三次ガスノズル３０の外周に二次ガス流路２１を形成している。二次ガスは、一次ガスで形成されるプラズマフレームの噴射に対して外側から急激に絞り込むように噴射して、溶滴をさらに細かなものにするとともに、溶滴に十分な速度を与えて被処理物上に噴射するためのガスであり、圧縮エアや炭酸ガス等のガスである。
【００２１】
一次ガスは、ガス流量の変化によりプラズマフレームの温度や、速度および発生電圧を適宜変化させるため、その流量は５０〜１２０〔Ｌ／分〕の範囲とすることが望ましい。なお、一次ガスの流量が５０〔Ｌ／分〕未満の場合、プラズマフレームの速度が遅くなり、溶射皮膜の品質が低下する。一方、一次ガスの流量が１２０〔Ｌ／分〕超の場合、プラズマフレームの速度が速く、温度が低下するため、溶射皮膜の品質が低下する。
【００２２】
二次ガスは、前述のように一次ガスで形成されるプラズマフレームの噴射に対して外側から急激に絞り込むように噴射し、溶滴をさらに細かなものにするとともに、溶滴に十分な速度を与えるため、その流量は２５０〜５００〔Ｌ／分〕とすることが望ましい。なお、二次ガスの流量が２５０〔Ｌ／分〕未満の場合は、溶滴を細かなものとするには不足し、また溶滴に十分な速度を与える効果が少なくなるため、溶射皮膜の品質が低下する。一方、二次ガスの流量が５００〔Ｌ／分〕超の場合は、溶滴を過剰に細かなものとするとともに、溶滴を過剰に冷却することになり、溶射皮膜の品質が低下する。
【００２３】
三次ガスは、前述のように一次ガスにより発生させるプラズマフレームの外周部にプラズマフレームの熱を受けて高温のガス噴射を形成するため、体積比で一次ガスの流量の２０〜５０％の範囲とし、かつ、二次ガス噴射によるプラズマフレームのかく乱やガス拡散を抑えるため、体積比で二次ガスの流量の５〜１０％の範囲とすることが望ましい。また、二次ガス噴射によるプラズマフレームのかく乱やガス拡散の効果をより有効に発揮させるためには、三次ガスの流量は二次ガスの流量の増減に連動して変化させ、二次ガスの流量が少ない場合は三次ガスの流量も少なくし、二次ガスの流量が多い場合は三次ガスの流量も多くすることが望ましい。
【００２４】
なお、三次ガスの流量が、一次ガスの流量の２０％未満あるいは二次ガスの流量の５％未満の場合、三次ガスの噴射によってプラズマフレームのかく乱やガス拡散を抑える効果が少なくなるため、溶射皮膜の品質向上の効果が得にくくなる。一方、三次ガスの流量が、一次ガスの流量の５０％超あるいは二次ガスの流量の１０％超の場合、三次ガスの噴射が強く発生しているため、その内側がプラズマフレームの熱を受けて高温のガス噴射を形成することが不十分となり、プラズマフレームのかく乱やガス拡散を抑える効果が十分に発揮できなくなるため、溶射皮膜の品質向上の効果が得にくくなる。
【００２５】
ワイヤ通路５０は、二次ガスノズル２０のノズル口２２の近傍に形成されたワイヤ出口５１ｂを有する一次ワイヤ通路５１ａと、この一次ワイヤ通路５１ａに対して所定の傾斜角θでワイヤＷを供給する二次ワイヤ通路５２ａとから構成される。ワイヤ通路５０は、一次ワイヤ通路５１ａと二次ワイヤ通路５２ａとによりワイヤＷに弾性限界を超えない範囲の曲がりを与えるものである。
【００２６】
図３に示すように、一次ワイヤ通路５１ａは、プラズマフレームの伸展方向に長い略長方形断面形状を有し、二次ガスノズル２０の外側に配置された一次ワイヤ案内部材５１を直線状に貫通して形成されている。同様に、二次ワイヤ通路５２ａも、プラズマフレームの伸展方向に長い略長方形断面形状を有し、一次ワイヤ通路５１ａから離れた位置に配置された二次ワイヤ案内部材５２を直線状に貫通して形成されている。
【００２７】
一次ワイヤ通路５１ａの長辺方向の幅ａは、ワイヤＷの直径ｄよりも１０％以上かつ９５％以下の範囲で大きく設定されている。また、一次ワイヤ通路５１ａの短辺方向の幅ｂは、ワイヤＷの直径ｄより３％以上かつ１０％未満の範囲で大きく設定されている。なお、本実施形態におけるワイヤＷの直径ｄは１．６ｍｍであり、長辺方向の幅ａはワイヤＷの直径ｄよりも０．２〜１．５ｍｍ程度大きく、短辺方向の幅ｂはワイヤＷの直径ｄよりも０．０５〜０．１５ｍｍ程度大きく設定してある。二次ワイヤ通路５２ａについても同様である。
【００２８】
なお、一次ワイヤ通路５１ａおよび二次ワイヤ通路５２ａが有する略長方形断面形状とは、長方形断面形状のほか、長方形断面形状の角部がワイヤＷの外面が接しない範囲でＣ面取りやＲ面取りなどの加工が施されている形状を含むものとする。したがって、本実施形態においてワイヤＷは、一次ワイヤ通路５１ａおよび二次ワイヤ通路５２ａ内において長辺方向の平面または短辺方向の平面のいずれの平面に対しても垂直方向の力のみを受けることになる。
【００２９】
また、二次ワイヤ通路５２ａの一次ワイヤ通路５１ａに対する傾斜角θは、一次ワイヤ通路５１ａの中心線と二次ワイヤ通路５２ａの中心線とがなす角である。本実施形態においては、傾斜角θは１〜５°程度に設定してある。また、二次ワイヤ案内部材５２は、一次ワイヤ通路５１ａと二次ワイヤ通路５２ａとが隙間ｃを隔てて配置される位置に設けられている。本実施形態においては、隙間ｃは３〜１０ｍｍ程度に設定してある。
【００３０】
このように本実施形態におけるプラズマ溶射トーチ２では、一次ワイヤ通路５１ａと二次ワイヤ通路５２ａとが隙間ｃを隔てて配置されることで、それぞれ直線状の一次ワイヤ通路５１ａと二次ワイヤ通路５２ａとにより擬似的に大きな曲線状のワイヤ通路５０を形成し、ワイヤＷに弾性範囲を超えない範囲の曲がりを与える。なお、一次ワイヤ通路５１ａおよび二次ワイヤ通路５２ａを、それぞれ曲線状とすることも可能である。
【００３１】
電源４の陽極側は、一次ワイヤ案内部材５１に接続されており、この一次ワイヤ案内部材５１の一次ワイヤ通路５１ａ内を通るワイヤＷに対して間接的に接続されている。一方、電源４の陰極側は、陰極４０に接続されている。なお、電源４の陽極側は、ワイヤＷに直接接続されることもある。
【００３２】
上記構成のプラズマ溶射装置１では、ワイヤリール５に巻かれたワイヤＷがワイヤ供給機構７によってプラズマ溶射トーチ２へ送給される際、ワイヤＷの強い巻き癖がワイヤ矯正機６によって矯正され、緩やかな曲線状に伸ばされる。そして、ワイヤＷはワイヤ送りチューブ８を介してワイヤ通路５０へ供給される。ワイヤ通路５０では、ワイヤＷは一次ワイヤ通路５１ａおよび二次ワイヤ通路５２ａ内で長辺方向の平面または短辺方向の平面のいずれの平面に対しても垂直方向の力のみを受けて、図４に示すようにプラズマフレームＦの伸長方向へ弾性限界を超えない範囲の曲がりが与えられる。
【００３３】
ここで、一次ワイヤ通路５１ａおよび二次ワイヤ通路５２ａは、プラズマフレームＦの伸展方向に長い略長方形断面形状を有するので、ゆがみ癖はプラズマフレームＦの伸展方向に逃がされる。特に、本実施形態においては、短辺方向の幅ｂが、ワイヤＷの直径ｄより３％以上かつ１０％未満の範囲で大きく設定されているだけであるため、プラズマフレームＦの伸展方向に対して直角方向へは逃がされない。したがって、ワイヤＷの先端部分はプラズマフレームＦの伸展方向に対しては多少の位置ずれが発生しても、プラズマフレームＦの伸長方向に対して直角方向への位置ずれは防止され、プラズマフレームＦの軸線上に位置するようになる。
【００３４】
図５はワイヤ通路の断面形状とワイヤが受ける力の方向を示している。図５において、略長方形断面Ａは長方形断面形状、略長方形断面Ｂは長方形断面形状の角部がワイヤＷの外面が接しない範囲でＣ面取り加工が施されている形状、略長方形断面Ｃは長方形断面形状の角部がワイヤＷの外面が接しない範囲でＲ面取り加工が施されている形状である。これらの略長方形断面形状では、ワイヤＷが長辺方向の平面に接しても短辺方向の平面に接しても、それぞれの平面に対して垂直方向の力のみを受けることになる。
【００３５】
ワイヤＷは、ワイヤ矯正機構７によっても完全に直線状には矯正できないため、ゆがみ癖が残っている。そして、ワイヤ送りチューブ８は、作業時のプラズマ溶射トーチ２の取り回しにより、様々な状態に曲がり形状が変化して一定の形状とはならない。そのため、このように形状が一定とならないワイヤ送りチューブ８内をゆがみ癖が残ったワイヤＷが送られてくると、ワイヤ送りチューブ８の形状に合わせてワイヤＷへ曲げやねじれの力が働く。この曲げやねじれの力によりワイヤＷは弾性限度内ではバネと同様に自由に曲がりながら、力の方向が安定する位置でワイヤ送りチューブ８内を蛇行しながら送られていくことになる。
【００３６】
このとき、上述の略長方形断面形状では、ワイヤＷが短辺方向の平面に接した場合には、この短辺方向の平面に対して垂直方向、すなわちプラズマフレームＦの伸展方向（以下、「Ｘ方向」と称す。）の力を受けることになり、ゆがみ癖はプラズマフレームＦの伸展方向に逃がされる。そして、この短辺方向の平面にのみ接触している際に、プラズマフレームＦの伸展方向に対して直角方向（以下、「Ｙ方向」と称す。）の力が掛かった場合には、ワイヤＷは短辺方向の幅ｂの隙間分だけ自由に移動し、長辺方向の平面に接するが、この場合も長辺方向の平面に対して垂直方向（Ｙ方向）の力が働くため、ワイヤＷの位置が安定する。特に、ねじれの力を受けた場合は、Ｘ方向とＹ方向の力として短辺方向と長辺方向の力に分散されて、各面に対して垂直方向に力が働き、ワイヤＷのねじれを抑制する働きをするために、ワイヤＷの位置は安定する。
【００３７】
一方、丸形断面や長丸断面の場合には、ワイヤＷは丸形断面や長丸断面の曲面に接すると、この曲面に対して垂直方向の力だけを受けることになり、ワイヤＷは曲面に沿って自由に移動することができる。特に、ねじれの力を受けた場合に、ワイヤＷは曲面に沿って自由に回転するために、ワイヤＷのねじれを抑制しない。このため、ワイヤＷが受ける力の方向が定まらず、ワイヤＷの位置は不定となる。
【００３８】
このように本実施形態におけるプラズマ溶射装置１では、ワイヤＷの先端部分はプラズマフレームＦの中心部へワイヤＷを安定して供給することができる。そして、一次ガス通路１１から噴出される一次ガスが、電源４の陽極側に一次ワイヤ案内部材５１を介して間接的に接続されたワイヤＷと、電源４の陰極側に接続された陰極４０との間に生じるアークによってプラズマ化されてプラズマフレームＦとなり、ワイヤＷを溶滴Ｄとして噴射する。この溶滴Ｄは、二次ガス通路２１から二次ガスノズル２０の前方へ噴射される二次ガスによってさらに微細化され、さらに加速されて被処理物Ｔ上に噴射され、溶射皮膜Ｓを形成する。
【００３９】
このとき、本実施形態におけるプラズマ溶射装置１では、一次ガス通路１１と二次ガス通路２１との間に配置されている三次ガス通路３１から噴射される三次ガス流れの内側が、プラズマフレームＦの熱を受けて高温のガス噴射Ｇを形成する。この高温のガス噴射Ｇにより、その外側に噴射される二次ガスの急激な絞り込みによってプラズマフレームＦの外周部から発生するかく乱を抑えることで、プラズマフレームＦのガス拡散を防止することができ、溶滴Ｄとなった粒子の表面の酸化が低減される。これにより、被処理物Ｔ上に酸化が少ない溶射皮膜Ｓを形成することが可能となっている。
【００４０】
また、このように本実施形態におけるプラズマ溶射装置１では、三次ガスによりプラズマフレームＦの外周部にプラズマフレームＦの熱を受けた高温のガス噴射を形成して、二次ガスの急激な絞り込みによるプラズマフレームＦのかく乱を防止できるため、一次ガスとして圧縮エアを用いた場合であっても、酸化が少ない溶射皮膜Ｓを形成することが可能である。
【００４１】
また、三次ガスとして不活性ガスである窒素ガスやアルゴンガスなどを用いた場合には、上述のように二次ガスの急激な絞りこみによってプラズマフレームＦの外周部から発生するかく乱を防止するとともに、プラズマフレームＦの外周部にプラズマフレームＦの熱を受けた高温の不活性ガス噴射が形成される。これにより、溶滴Ｄの粒子は、高温の不活性ガス噴射により粒子の成分変化が防止された状態で微細化され、加速されるために、二次ガスによる酸化から保護される。これにより、さらに酸化が少ない溶射皮膜７２を形成することが可能となる。
【００４２】
なお、本実施形態においては、一次ワイヤ通路５１ａおよび二次ワイヤ通路５２ａの両方をプラズマフレームの伸展方向に長い略長方形断面形状を有するものとしているが、いずれか一方のみをプラズマフレームの伸展方向に長い略長方形断面形状を有するものとすることも可能である。この場合、プラズマフレームの伸展方向に長い略長方形断面形状を有する一次ワイヤ通路または二次ワイヤ通路により、ワイヤＷのゆがみ癖をプラズマフレームＦの伸展方向に逃がして、ワイヤＷの先端部分をプラズマフレームＦの中心部へ供給することができる。
【実施例】
【００４３】
三次ガスとして圧縮エアおよび不活性ガスである窒素ガスを用いた場合と、三次ガスを用いない場合とで、比較試験を実施した。本実施例では、溶射材料としてアルミニウム系合金を用い、溶射皮膜の酸化度合いの指標として、溶射皮膜の自然電位を測定して、三次ガスの効果を確認した。さらに、ランニングコスト低減の手法として、一次ガス、二次ガスおよび三次ガスの全てのガスを、安価な圧縮エアを用いて溶射皮膜を作成し、溶射皮膜の自然電位を測定して、３次ガスの効果を確認した。図６は自然電位測定方法を示す説明図である。
【００４４】
図６に示すように自然電位の測定は、飽和ＫＣｌの塩橋を用いて試験片（試験ＴＰ）の溶射皮膜表面に５ｗ％ＮａＣｌの環境を作り、照合電極として飽和塩化銀電極を用いて、テスターにより自然電位を測定した。なお、電位の測定数値を安定させるために、測定開始から６００秒後の電位を測定値とした。試験結果のまとめを表１に、表１の各条件での皮膜の自然電位測定結果を表２に示す。
【００４５】
【表１】
【００４６】
【表２】
【００４７】
表１に示すように、三次ガスを用いない場合と三次ガスに圧縮エアを用いた場合とでは、三次ガスに圧縮エアを用いた方が約６０ｍＶ低い電位を示した。また、三次ガスに不活性ガスである窒素ガスを用いた場合では、約１５０ｍＶ低い値を示した。さらに、全てのガスを安価な圧縮エアを用いた場合では、約５０ｍＶ低い値を示した。このことから、三次ガスを利用することで、溶射皮膜内部の酸化が少ないことが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明のプラズマ溶射装置は、鋼構造物の表面に防錆用溶射皮膜を形成するための装置として有用である。
【符号の説明】
【００４９】
１ プラズマ溶射装置
２ プラズマ溶射トーチ
３ ガス供給源
４ 電源
５ ワイヤリール
６ ワイヤ矯正機
７ ワイヤ供給機構
１０ 一次ガスノズル
１１ 一次ガス通路
１２ ノズル口
２０ 二次ガスノズル
２１ 二次ガス通路
２２ ノズル口
３０ 三次ガスノズル
３１ 三次ガス通路
４０ 陰極
５０ ワイヤ通路
５１ 一次ワイヤ案内部材
５１ａ 一次ワイヤ通路
５２ 二次ワイヤ案内部材
５２ａ 二次ワイヤ通路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気伝導性のワイヤにプラズマアークを移行させてプラズマフレームを発生させ、ワイヤを溶滴としながら噴射するプラズマ溶射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図７は従来のプラズマ溶射装置を模式的に示した断面図である。図７に示すように、従来のプラズマ溶射装置９０は、一次ガス通路９１ａを形成する一次ガスノズル９１と、一次ガスノズル９１の外側に配置されて二次ガス通路９２ａを形成する二次ガスノズル９２と、一次ガスノズル９１のノズル口９１ｂおよび二次ガスノズル９２のノズル口９２ａの略中心軸上に配置された陰極９３と、電源装置９４と、二次ガスノズル９２のノズル口９２ａの近傍に溶射用の電気伝導性のワイヤＷを供給するワイヤガイド孔９５とを備える。
【０００３】
ワイヤＷは、ワイヤガイド孔９５からノズル口９２ａの中心軸へ向けて斜め前方に供給される。そして、一次ガス通路９１ａから噴出される一次ガスが、電源装置９４の陽極側と二次ガスノズル９２を介して間接的に接続されたワイヤＷと、電源装置９４の陰極側と接続された陰極９３との間に生じるアークによってプラズマ化されてプラズマフレームＦとなり、ワイヤＷを溶滴Ｄとして噴射する。この溶滴Ｄは、二次ガス通路９２ａから二次ガスノズル９２の前方へ噴射される二次ガスによってさらに微細化され、さらに加速されて被処理物Ｔ上に噴射され、溶射被膜Ｓを形成する。
【０００４】
なお、このような従来のプラズマ溶射装置９０においては、一次ガスとして窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスが用いられ、二次ガスとして圧縮エア、窒素ガスや炭酸ガス等のガスが用いられることとなっている（例えば、特許文献１参照。）。しかしながら、実際の運用の場合は、二次ガスとして窒素ガスや炭酸ガス等は運転コスト高となるために、低コストである圧縮エアを利用する。プラズマ溶射装置９０では、この二次ガスである圧縮エアによってプラズマ化された一次ガスを包み込むことにより、プラズマ化された一次ガスの噴射を細くすることができ、しかも一次ガスの高速化を達成することが可能となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−３０８９７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、従来のプラズマ溶射装置９０では、溶融したワイヤＷの溶滴Ｄを二次ガスの噴射によってさらに細かなものとするとともに、各溶滴Ｄに十分な速度を与えているため、溶射皮膜Ｓ中の金属材料は、溶融時に二次ガスである圧縮エアの急激な絞り込みによって、プラズマフレームＦの外周部からかく乱が発生する。そのため、溶滴Ｄとなった粒子の表面が酸化し、溶射皮膜Ｓ中に金属材料の酸化物を含むことになる。
【０００７】
そこで、本発明においては、溶滴となった粒子表面の酸化を低減することで、酸化物が少ない溶射皮膜を形成することが可能なプラズマ溶射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】
【０００８】
本発明のプラズマ溶射装置は、陰極と、この陰極の外周に一次ガス通路を形成して陰極の先端部を覆う一次ガスノズルと、この一次ガスノズルの外側に配置されて二次ガス通路を形成する二次ガスノズルと、この二次ガスノズルのノズル口の近傍へ溶射用のワイヤを供給するワイヤ通路とを備え、ワイヤ通路より供給されるワイヤの先端と陰極との間に生じるアークにより一次ガスノズルから噴射する一次ガスをプラズマ化し、一次ガスノズルより噴射するプラズマフレームを形成してワイヤの先端を溶滴とし、この溶滴をプラズマフレームと二次ガスノズルから噴射する二次ガスによって被処理物上に噴射するプラズマ溶射装置において、一次ガスノズルと二次ガスノズルとの間に、プラズマフレームの外周部にプラズマフレームの熱を受けて高温のガス噴射とするための三次ガスを噴射する三次ガス通路を形成する三次ガスノズルを備えたものである。
【０００９】
本発明のプラズマ溶射装置によれば、一次ガス通路と二次ガス通路との間に配置されている三次ガス通路から噴射される三次ガス流れの内側が、プラズマフレームの熱を受けて高温のガス噴射を形成する。この高温のガス噴射により、その外側に噴射される二次ガスの急激な絞り込みによってプラズマフレームの外周部から発生するかく乱が抑えられ、プラズマフレームの拡散が防止されるので、溶滴となった粒子の表面の酸化が低減される。
【００１０】
ここで、三次ガスとしては圧縮エアや炭酸ガスなどを用いることができるが、三次ガスとしてアルゴンガスや窒素ガスなどの不活性ガスを用いることが望ましい。三次ガスとして不活性ガスを用いた場合には、二次ガスの急激な絞りこみによってプラズマフレームの外周部から発生するかく乱を防止するとともに、プラズマフレームの外周部にプラズマフレームの熱を受けた高温の不活性ガス噴射が形成される。これにより、溶滴の粒子は、高温の不活性ガス噴射の中で微細化され、加速されるため、二次ガスによる酸化から保護される。
【００１１】
また、本発明のプラズマ溶射装置では、一次ガスに圧縮エアを用いた場合であっても、酸化が少ない溶射皮膜を形成することが可能である。一次ガスに圧縮エアを用いた場合、一次ガスには約２０％の酸素を含むことになるが、ガスがプラズマ化している状態では、溶融金属を酸化させる作用が少ないと言われているため、圧縮エアを一次ガスとして用いても、溶射皮膜の酸化は少ないはずである。しかしながら、従来のプラズマ溶射装置では、二次ガスの急激な絞り込みによってプラズマフレームがかく乱された場合には、溶滴の酸化が過度に進むために、一次ガスに圧縮エアを用いた場合、皮膜品質が低下する。一方、本発明のプラズマ溶射装置では、三次ガスによりプラズマフレームの外周部にプラズマフレームの熱を受けた高温のガス噴射を形成して、二次ガスの急激な絞り込みによるプラズマフレームのかく乱を防止できるため、一次ガスに圧縮エアを用いた場合でも酸化が少ない溶射皮膜を形成することができる。
【発明の効果】
【００１２】
（１）一次ガスノズルと二次ガスノズルとの間に、プラズマフレームの外周部にプラズマフレームの熱を受けて高温のガス噴射とするための三次ガスを噴射する三次ガス通路を形成する三次ガスノズルを備えたことにより、プラズマフレームの拡散が防止され、溶滴となった粒子の表面の酸化が低減されるので、酸化物が少ない溶射皮膜を形成することが可能となる。
【００１３】
（２）三次ガスとして不活性ガスを用いた場合、プラズマフレームの外周部にプラズマフレームの熱を受けた高温の不活性ガス噴射が形成され、溶滴の粒子が高温の不活性ガス噴射の中で微細化され、加速されるため、さらに二次ガスによる酸化から保護され、より酸化物が少ない溶射皮膜を形成することが可能となる。
【００１４】
（３）一次ガスとして圧縮エアを用いた場合であっても、三次ガスによりプラズマフレームの外周部にプラズマフレームの熱を受けた高温のガス噴射を形成して、二次ガスの急激な絞り込みによるプラズマフレームのかく乱を防止できるため、酸化が少ない溶射皮膜を形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態におけるプラズマ溶射装置の概略構成図である。
【図２】図１のプラズマ溶射トーチの主要部の詳細を示す縦断面図である。
【図３】図２のＡ矢視図である。
【図４】図１のプラズマ溶射トーチの動作説明図である。
【図５】ワイヤ通路の断面形状とワイヤが受ける力の方向を示す説明図である。
【図６】自然電位測定方法を示す説明図である。
【図７】従来のプラズマ溶射装置を模式的に示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は本発明の実施の形態におけるプラズマ溶射装置の概略構成図、図２は図１のプラズマトーチの主要部の詳細を示す縦断面図、図３は図２のＡ矢視図、図４は図１のプラズマトーチの動作説明図である。
【００１７】
図１において、本発明の実施の形態におけるプラズマ溶射装置１は、プラズマフレームにより溶滴としたワイヤＷを被処理物上に噴射するプラズマ溶射トーチ２と、プラズマ溶射トーチ２へ一次ガスおよび二次ガスを供給するガス供給源３と、プラズマ溶射トーチ２へ動作電力を供給する電源４と、ワイヤＷが巻回されたワイヤリール５と、ワイヤリール５から引き出されるワイヤＷの巻き癖を矯正するワイヤ矯正機６と、ワイヤＷをワイヤ送りチューブ８によりプラズマ溶射トーチ２へ供給するワイヤ供給機構７とを有する。
【００１８】
図２に示すように、プラズマ溶射トーチ２は、一次ガス通路１１を形成する一次ガスノズル１０と、一次ガスノズル１０の外側に配置されて二次ガス通路２１を形成する二次ガスノズル２０と、一次ガスノズル１０と二次ガスノズル２０との間に配置されて三次ガス通路３１を形成する三次ガスノズル３０と、一次ガスノズル１０のノズル口１２および二次ガスノズル２０のノズル口２２の略中心軸上に配置された陰極４０と、二次ガスノズル２０のノズル口２２の近傍へ溶射用のワイヤＷを供給するワイヤ通路５０とを備える。
【００１９】
一次ガスノズル１０は、陰極４０の先端部を覆うように形成されており、陰極４０の外周に一次ガス通路１１を形成している。この一次ガス通路１１に供給される一次ガスは、プラズマフレームを発生させ、ワイヤの先端を溶滴とするためのガスであり、窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスである。あるいは、この一次ガスとして、圧縮エアを用いることも可能である。一次ガス通路１１によって供給される一次ガスは、陰極４０の外周を旋回しながら供給され、一次ガスノズル１０のノズル口１２より二次ガスノズル２０の前方へ噴射される。
【００２０】
三次ガスノズル３０は、一次ガスノズル１０の外側を包み込むように形成されており、一次ガスノズル１０の外周に三次ガス通路３１を形成している。三次ガスは、一次ガスにより発生させるプラズマフレームの外周部にプラズマフレームの熱を受けて高温のガス噴射を形成するためのガスであり、圧縮エアや炭酸ガス等のガスである。二次ガスノズル２０は、三次ガスノズル３０の外側を包み込むように形成されており、三次ガスノズル３０の外周に二次ガス流路２１を形成している。二次ガスは、一次ガスで形成されるプラズマフレームの噴射に対して外側から急激に絞り込むように噴射して、溶滴をさらに細かなものにするとともに、溶滴に十分な速度を与えて被処理物上に噴射するためのガスであり、圧縮エアや炭酸ガス等のガスである。
【００２１】
一次ガスは、ガス流量の変化によりプラズマフレームの温度や、速度および発生電圧を適宜変化させるため、その流量は５０〜１２０〔Ｌ／分〕の範囲とすることが望ましい。なお、一次ガスの流量が５０〔Ｌ／分〕未満の場合、プラズマフレームの速度が遅くなり、溶射皮膜の品質が低下する。一方、一次ガスの流量が１２０〔Ｌ／分〕超の場合、プラズマフレームの速度が速く、温度が低下するため、溶射皮膜の品質が低下する。
【００２２】
二次ガスは、前述のように一次ガスで形成されるプラズマフレームの噴射に対して外側から急激に絞り込むように噴射し、溶滴をさらに細かなものにするとともに、溶滴に十分な速度を与えるため、その流量は２５０〜５００〔Ｌ／分〕とすることが望ましい。なお、二次ガスの流量が２５０〔Ｌ／分〕未満の場合は、溶滴を細かなものとするには不足し、また溶滴に十分な速度を与える効果が少なくなるため、溶射皮膜の品質が低下する。一方、二次ガスの流量が５００〔Ｌ／分〕超の場合は、溶滴を過剰に細かなものとするとともに、溶滴を過剰に冷却することになり、溶射皮膜の品質が低下する。
【００２３】
三次ガスは、前述のように一次ガスにより発生させるプラズマフレームの外周部にプラズマフレームの熱を受けて高温のガス噴射を形成するため、体積比で一次ガスの流量の２０〜５０％の範囲とし、かつ、二次ガス噴射によるプラズマフレームのかく乱やガス拡散を抑えるため、体積比で二次ガスの流量の５〜１０％の範囲とすることが望ましい。また、二次ガス噴射によるプラズマフレームのかく乱やガス拡散の効果をより有効に発揮させるためには、三次ガスの流量は二次ガスの流量の増減に連動して変化させ、二次ガスの流量が少ない場合は三次ガスの流量も少なくし、二次ガスの流量が多い場合は三次ガスの流量も多くすることが望ましい。
【００２４】
なお、三次ガスの流量が、一次ガスの流量の２０％未満あるいは二次ガスの流量の５％未満の場合、三次ガスの噴射によってプラズマフレームのかく乱やガス拡散を抑える効果が少なくなるため、溶射皮膜の品質向上の効果が得にくくなる。一方、三次ガスの流量が、一次ガスの流量の５０％超あるいは二次ガスの流量の１０％超の場合、三次ガスの噴射が強く発生しているため、その内側がプラズマフレームの熱を受けて高温のガス噴射を形成することが不十分となり、プラズマフレームのかく乱やガス拡散を抑える効果が十分に発揮できなくなるため、溶射皮膜の品質向上の効果が得にくくなる。
【００２５】
ワイヤ通路５０は、二次ガスノズル２０のノズル口２２の近傍に形成されたワイヤ出口５１ｂを有する一次ワイヤ通路５１ａと、この一次ワイヤ通路５１ａに対して所定の傾斜角θでワイヤＷを供給する二次ワイヤ通路５２ａとから構成される。ワイヤ通路５０は、一次ワイヤ通路５１ａと二次ワイヤ通路５２ａとによりワイヤＷに弾性限界を超えない範囲の曲がりを与えるものである。
【００２６】
図３に示すように、一次ワイヤ通路５１ａは、プラズマフレームの伸展方向に長い略長方形断面形状を有し、二次ガスノズル２０の外側に配置された一次ワイヤ案内部材５１を直線状に貫通して形成されている。同様に、二次ワイヤ通路５２ａも、プラズマフレームの伸展方向に長い略長方形断面形状を有し、一次ワイヤ通路５１ａから離れた位置に配置された二次ワイヤ案内部材５２を直線状に貫通して形成されている。
【００２７】
一次ワイヤ通路５１ａの長辺方向の幅ａは、ワイヤＷの直径ｄよりも１０％以上かつ９５％以下の範囲で大きく設定されている。また、一次ワイヤ通路５１ａの短辺方向の幅ｂは、ワイヤＷの直径ｄより３％以上かつ１０％未満の範囲で大きく設定されている。なお、本実施形態におけるワイヤＷの直径ｄは１．６ｍｍであり、長辺方向の幅ａはワイヤＷの直径ｄよりも０．２〜１．５ｍｍ程度大きく、短辺方向の幅ｂはワイヤＷの直径ｄよりも０．０５〜０．１５ｍｍ程度大きく設定してある。二次ワイヤ通路５２ａについても同様である。
【００２８】
なお、一次ワイヤ通路５１ａおよび二次ワイヤ通路５２ａが有する略長方形断面形状とは、長方形断面形状のほか、長方形断面形状の角部がワイヤＷの外面が接しない範囲でＣ面取りやＲ面取りなどの加工が施されている形状を含むものとする。したがって、本実施形態においてワイヤＷは、一次ワイヤ通路５１ａおよび二次ワイヤ通路５２ａ内において長辺方向の平面または短辺方向の平面のいずれの平面に対しても垂直方向の力のみを受けることになる。
【００２９】
また、二次ワイヤ通路５２ａの一次ワイヤ通路５１ａに対する傾斜角θは、一次ワイヤ通路５１ａの中心線と二次ワイヤ通路５２ａの中心線とがなす角である。本実施形態においては、傾斜角θは１〜５°程度に設定してある。また、二次ワイヤ案内部材５２は、一次ワイヤ通路５１ａと二次ワイヤ通路５２ａとが隙間ｃを隔てて配置される位置に設けられている。本実施形態においては、隙間ｃは３〜１０ｍｍ程度に設定してある。
【００３０】
このように本実施形態におけるプラズマ溶射トーチ２では、一次ワイヤ通路５１ａと二次ワイヤ通路５２ａとが隙間ｃを隔てて配置されることで、それぞれ直線状の一次ワイヤ通路５１ａと二次ワイヤ通路５２ａとにより擬似的に大きな曲線状のワイヤ通路５０を形成し、ワイヤＷに弾性範囲を超えない範囲の曲がりを与える。なお、一次ワイヤ通路５１ａおよび二次ワイヤ通路５２ａを、それぞれ曲線状とすることも可能である。
【００３１】
電源４の陽極側は、一次ワイヤ案内部材５１に接続されており、この一次ワイヤ案内部材５１の一次ワイヤ通路５１ａ内を通るワイヤＷに対して間接的に接続されている。一方、電源４の陰極側は、陰極４０に接続されている。なお、電源４の陽極側は、ワイヤＷに直接接続されることもある。
【００３２】
上記構成のプラズマ溶射装置１では、ワイヤリール５に巻かれたワイヤＷがワイヤ供給機構７によってプラズマ溶射トーチ２へ送給される際、ワイヤＷの強い巻き癖がワイヤ矯正機６によって矯正され、緩やかな曲線状に伸ばされる。そして、ワイヤＷはワイヤ送りチューブ８を介してワイヤ通路５０へ供給される。ワイヤ通路５０では、ワイヤＷは一次ワイヤ通路５１ａおよび二次ワイヤ通路５２ａ内で長辺方向の平面または短辺方向の平面のいずれの平面に対しても垂直方向の力のみを受けて、図４に示すようにプラズマフレームＦの伸長方向へ弾性限界を超えない範囲の曲がりが与えられる。
【００３３】
ここで、一次ワイヤ通路５１ａおよび二次ワイヤ通路５２ａは、プラズマフレームＦの伸展方向に長い略長方形断面形状を有するので、ゆがみ癖はプラズマフレームＦの伸展方向に逃がされる。特に、本実施形態においては、短辺方向の幅ｂが、ワイヤＷの直径ｄより３％以上かつ１０％未満の範囲で大きく設定されているだけであるため、プラズマフレームＦの伸展方向に対して直角方向へは逃がされない。したがって、ワイヤＷの先端部分はプラズマフレームＦの伸展方向に対しては多少の位置ずれが発生しても、プラズマフレームＦの伸長方向に対して直角方向への位置ずれは防止され、プラズマフレームＦの軸線上に位置するようになる。
【００３４】
図５はワイヤ通路の断面形状とワイヤが受ける力の方向を示している。図５において、略長方形断面Ａは長方形断面形状、略長方形断面Ｂは長方形断面形状の角部がワイヤＷの外面が接しない範囲でＣ面取り加工が施されている形状、略長方形断面Ｃは長方形断面形状の角部がワイヤＷの外面が接しない範囲でＲ面取り加工が施されている形状である。これらの略長方形断面形状では、ワイヤＷが長辺方向の平面に接しても短辺方向の平面に接しても、それぞれの平面に対して垂直方向の力のみを受けることになる。
【００３５】
ワイヤＷは、ワイヤ矯正機構７によっても完全に直線状には矯正できないため、ゆがみ癖が残っている。そして、ワイヤ送りチューブ８は、作業時のプラズマ溶射トーチ２の取り回しにより、様々な状態に曲がり形状が変化して一定の形状とはならない。そのため、このように形状が一定とならないワイヤ送りチューブ８内をゆがみ癖が残ったワイヤＷが送られてくると、ワイヤ送りチューブ８の形状に合わせてワイヤＷへ曲げやねじれの力が働く。この曲げやねじれの力によりワイヤＷは弾性限度内ではバネと同様に自由に曲がりながら、力の方向が安定する位置でワイヤ送りチューブ８内を蛇行しながら送られていくことになる。
【００３６】
このとき、上述の略長方形断面形状では、ワイヤＷが短辺方向の平面に接した場合には、この短辺方向の平面に対して垂直方向、すなわちプラズマフレームＦの伸展方向（以下、「Ｘ方向」と称す。）の力を受けることになり、ゆがみ癖はプラズマフレームＦの伸展方向に逃がされる。そして、この短辺方向の平面にのみ接触している際に、プラズマフレームＦの伸展方向に対して直角方向（以下、「Ｙ方向」と称す。）の力が掛かった場合には、ワイヤＷは短辺方向の幅ｂの隙間分だけ自由に移動し、長辺方向の平面に接するが、この場合も長辺方向の平面に対して垂直方向（Ｙ方向）の力が働くため、ワイヤＷの位置が安定する。特に、ねじれの力を受けた場合は、Ｘ方向とＹ方向の力として短辺方向と長辺方向の力に分散されて、各面に対して垂直方向に力が働き、ワイヤＷのねじれを抑制する働きをするために、ワイヤＷの位置は安定する。
【００３７】
一方、丸形断面や長丸断面の場合には、ワイヤＷは丸形断面や長丸断面の曲面に接すると、この曲面に対して垂直方向の力だけを受けることになり、ワイヤＷは曲面に沿って自由に移動することができる。特に、ねじれの力を受けた場合に、ワイヤＷは曲面に沿って自由に回転するために、ワイヤＷのねじれを抑制しない。このため、ワイヤＷが受ける力の方向が定まらず、ワイヤＷの位置は不定となる。
【００３８】
このように本実施形態におけるプラズマ溶射装置１では、ワイヤＷの先端部分はプラズマフレームＦの中心部へワイヤＷを安定して供給することができる。そして、一次ガス通路１１から噴出される一次ガスが、電源４の陽極側に一次ワイヤ案内部材５１を介して間接的に接続されたワイヤＷと、電源４の陰極側に接続された陰極４０との間に生じるアークによってプラズマ化されてプラズマフレームＦとなり、ワイヤＷを溶滴Ｄとして噴射する。この溶滴Ｄは、二次ガス通路２１から二次ガスノズル２０の前方へ噴射される二次ガスによってさらに微細化され、さらに加速されて被処理物Ｔ上に噴射され、溶射皮膜Ｓを形成する。
【００３９】
このとき、本実施形態におけるプラズマ溶射装置１では、一次ガス通路１１と二次ガス通路２１との間に配置されている三次ガス通路３１から噴射される三次ガス流れの内側が、プラズマフレームＦの熱を受けて高温のガス噴射Ｇを形成する。この高温のガス噴射Ｇにより、その外側に噴射される二次ガスの急激な絞り込みによってプラズマフレームＦの外周部から発生するかく乱を抑えることで、プラズマフレームＦのガス拡散を防止することができ、溶滴Ｄとなった粒子の表面の酸化が低減される。これにより、被処理物Ｔ上に酸化が少ない溶射皮膜Ｓを形成することが可能となっている。
【００４０】
また、このように本実施形態におけるプラズマ溶射装置１では、三次ガスによりプラズマフレームＦの外周部にプラズマフレームＦの熱を受けた高温のガス噴射を形成して、二次ガスの急激な絞り込みによるプラズマフレームＦのかく乱を防止できるため、一次ガスとして圧縮エアを用いた場合であっても、酸化が少ない溶射皮膜Ｓを形成することが可能である。
【００４１】
また、三次ガスとして不活性ガスである窒素ガスやアルゴンガスなどを用いた場合には、上述のように二次ガスの急激な絞りこみによってプラズマフレームＦの外周部から発生するかく乱を防止するとともに、プラズマフレームＦの外周部にプラズマフレームＦの熱を受けた高温の不活性ガス噴射が形成される。これにより、溶滴Ｄの粒子は、高温の不活性ガス噴射により粒子の成分変化が防止された状態で微細化され、加速されるために、二次ガスによる酸化から保護される。これにより、さらに酸化が少ない溶射皮膜７２を形成することが可能となる。
【００４２】
なお、本実施形態においては、一次ワイヤ通路５１ａおよび二次ワイヤ通路５２ａの両方をプラズマフレームの伸展方向に長い略長方形断面形状を有するものとしているが、いずれか一方のみをプラズマフレームの伸展方向に長い略長方形断面形状を有するものとすることも可能である。この場合、プラズマフレームの伸展方向に長い略長方形断面形状を有する一次ワイヤ通路または二次ワイヤ通路により、ワイヤＷのゆがみ癖をプラズマフレームＦの伸展方向に逃がして、ワイヤＷの先端部分をプラズマフレームＦの中心部へ供給することができる。
【実施例】
【００４３】
三次ガスとして圧縮エアおよび不活性ガスである窒素ガスを用いた場合と、三次ガスを用いない場合とで、比較試験を実施した。本実施例では、溶射材料としてアルミニウム系合金を用い、溶射皮膜の酸化度合いの指標として、溶射皮膜の自然電位を測定して、三次ガスの効果を確認した。さらに、ランニングコスト低減の手法として、一次ガス、二次ガスおよび三次ガスの全てのガスを、安価な圧縮エアを用いて溶射皮膜を作成し、溶射皮膜の自然電位を測定して、３次ガスの効果を確認した。図６は自然電位測定方法を示す説明図である。
【００４４】
図６に示すように自然電位の測定は、飽和ＫＣｌの塩橋を用いて試験片（試験ＴＰ）の溶射皮膜表面に５ｗ％ＮａＣｌの環境を作り、照合電極として飽和塩化銀電極を用いて、テスターにより自然電位を測定した。なお、電位の測定数値を安定させるために、測定開始から６００秒後の電位を測定値とした。試験結果のまとめを表１に、表１の各条件での皮膜の自然電位測定結果を表２に示す。
【００４５】
【表１】
【００４６】
【表２】
【００４７】
表１に示すように、三次ガスを用いない場合と三次ガスに圧縮エアを用いた場合とでは、三次ガスに圧縮エアを用いた方が約６０ｍＶ低い電位を示した。また、三次ガスに不活性ガスである窒素ガスを用いた場合では、約１５０ｍＶ低い値を示した。さらに、全てのガスを安価な圧縮エアを用いた場合では、約５０ｍＶ低い値を示した。このことから、三次ガスを利用することで、溶射皮膜内部の酸化が少ないことが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明のプラズマ溶射装置は、鋼構造物の表面に防錆用溶射皮膜を形成するための装置として有用である。
【符号の説明】
【００４９】
１ プラズマ溶射装置
２ プラズマ溶射トーチ
３ ガス供給源
４ 電源
５ ワイヤリール
６ ワイヤ矯正機
７ ワイヤ供給機構
１０ 一次ガスノズル
１１ 一次ガス通路
１２ ノズル口
２０ 二次ガスノズル
２１ 二次ガス通路
２２ ノズル口
３０ 三次ガスノズル
３１ 三次ガス通路
４０ 陰極
５０ ワイヤ通路
５１ 一次ワイヤ案内部材
５１ａ 一次ワイヤ通路
５２ 二次ワイヤ案内部材
５２ａ 二次ワイヤ通路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
陰極と、この陰極の外周に一次ガス通路を形成して前記陰極の先端部を覆う一次ガスノズルと、この一次ガスノズルの外側に配置されて二次ガス通路を形成する二次ガスノズルと、この二次ガスノズルのノズル口の近傍へ溶射用のワイヤを供給するワイヤ通路とを備え、前記ワイヤ通路より供給される前記ワイヤの先端と前記陰極との間に生じるアークにより前記一次ガスノズルから噴射する一次ガスをプラズマ化し、前記一次ガスノズルより噴射するプラズマフレームを形成して前記ワイヤの先端を溶滴とし、この溶滴を前記プラズマフレームと前記二次ガスノズルから噴射する二次ガスによって被処理物上に噴射するプラズマ溶射装置において、
前記一次ガスノズルと前記二次ガスノズルとの間に、前記プラズマフレームの外周部に前記プラズマフレームの熱を受けて高温のガス噴射とするための三次ガスを噴射する三次ガス通路を形成する三次ガスノズルを備えたプラズマ溶射装置。
【請求項２】
前記三次ガスの流量が、体積比で前記一次ガスの流量の２０〜５０％かつ前記二次ガスの流量の５〜１０％である請求項１記載のプラズマ溶射装置。
【請求項３】
前記三次ガスは、圧縮エアまたは炭酸ガスである請求項１または２に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項４】
前記三次ガスは、不活性ガスである請求項１または２に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項５】
前記一次ガスは、圧縮エアである請求項１から４のいずれかに記載のプラズマ溶射装置。
【請求項１】
陰極と、この陰極の外周に一次ガス通路を形成して前記陰極の先端部を覆う一次ガスノズルと、この一次ガスノズルの外側に配置されて二次ガス通路を形成する二次ガスノズルと、この二次ガスノズルのノズル口の近傍へ溶射用のワイヤを供給するワイヤ通路とを備え、前記ワイヤ通路より供給される前記ワイヤの先端と前記陰極との間に生じるアークにより前記一次ガスノズルから噴射する一次ガスをプラズマ化し、前記一次ガスノズルより噴射するプラズマフレームを形成して前記ワイヤの先端を溶滴とし、この溶滴を前記プラズマフレームと前記二次ガスノズルから噴射する二次ガスによって被処理物上に噴射するプラズマ溶射装置において、
前記一次ガスノズルと前記二次ガスノズルとの間に、前記プラズマフレームの外周部に前記プラズマフレームの熱を受けて高温のガス噴射とするための三次ガスを噴射する三次ガス通路を形成する三次ガスノズルを備えたプラズマ溶射装置。
【請求項２】
前記三次ガスの流量が、体積比で前記一次ガスの流量の２０〜５０％かつ前記二次ガスの流量の５〜１０％である請求項１記載のプラズマ溶射装置。
【請求項３】
前記三次ガスは、圧縮エアまたは炭酸ガスである請求項１または２に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項４】
前記三次ガスは、不活性ガスである請求項１または２に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項５】
前記一次ガスは、圧縮エアである請求項１から４のいずれかに記載のプラズマ溶射装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１２１００９（Ｐ２０１２−１２１００９Ａ）
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７６１４２（Ｐ２０１０−２７６１４２）
【出願日】平成２２年１２月１０日（２０１０．１２．１０）
【出願人】（５０９１４７４４４）株式会社フジエンジニアリング (7)
【出願人】（５９２０３０８５０）山田金属防蝕株式会社 (7)
【出願人】（５０５３９８９６３）西日本高速道路株式会社 (105)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月１０日（２０１０．１２．１０）
【出願人】（５０９１４７４４４）株式会社フジエンジニアリング (7)
【出願人】（５９２０３０８５０）山田金属防蝕株式会社 (7)
【出願人】（５０５３９８９６３）西日本高速道路株式会社 (105)
【Ｆターム（参考）】
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