JPH0766871B2 - High-speed and temperature-controlled plasma spray method and equipment - Google Patents

High-speed and temperature-controlled plasma spray method and equipment

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JPH0766871B2 JP1111884A JP11188489A JPH0766871B2 JP H0766871 B2 JPH0766871 B2 JP H0766871B2 JP 1111884 A JP1111884 A JP 1111884A JP 11188489 A JP11188489 A JP 11188489A JP H0766871 B2 JPH0766871 B2 JP H0766871B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、従来のプラズマスプレーシステムよりも高い
電流と高い電圧を使用するプラズマアークスプレー法及
びその装置に関するものであり、さらに特定すれば、プ
ラズマトーチノズル噴出口周辺の陽極部の使用寿命を延
長するプラズマスプレーシステムに関するものである。
Description: FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a plasma arc spray method and apparatus using higher current and higher voltage than conventional plasma spray systems, and more particularly, to The present invention relates to a plasma spray system that extends the service life of an anode portion around a plasma torch nozzle ejection port.

(従来技術及び発明が解決しようとする課題) 粉末を注入するプラズマスプレーシステムにおいては、
超高温熱源としてアーク柱自体あるいはそのイオン体が
利用されている。この利用はアーク柱を従来型プラズマ
トーチの場合よりもノズル噴出口からさらに遠方に伸び
出させる技術において重要な役割を果たす。添付の図1
には従来式プラズマスプレートーチ10′が図示されてい
る。図面の簡素化のため、その水冷手段は取り除かれて
いる。円筒カップ形状の電気絶縁体10は、その底部閉鎖
壁にて絶縁体10の中央軸に沿って延びる陰極棒体12を保
持している。この陰極棒体12は電気絶縁体10の開口部に
搭載されたノズル部材11とは接触していない。ノズル部
材11はその中央部にノズル穴11aを有しており、プラズ
マスプレートーチノズル通路9を提供している。アーク
体17は、陰極棒体12と陽極として作用するノズル部材11
との間の電位差によって発生する。アーク体17は陰極棒
体12とノズル通路9の内壁との間を通過する。アーク体
17は、ガス供給管15から環状マニフォールド体24内の陰
極棒体12周囲に供給されるプラズマ形成ガス(G)によ
ってその長さが延ばされる。ガス供給管15は電気絶縁体
10の円筒状側壁に設けられた挿通孔15aに同軸的に接続
されている。円筒カップ形状の絶縁体10内部において、
絶縁体10のごとき絶縁材料でなる横断仕切体13な陰極棒
体12を安定的に支持している。仕切体13には多数の小径
挿通孔23が提供されており、陰極棒体12のテーパー状先
端部12a周辺を通過させてノズル通路9にプラズマ形成
ガスを送る。ノズル噴射口から噴射される粉末(P)は
アーク体17の先端部18を越えた箇所にて、アーク体17に
加熱されたガス内へと送られる。この粉末は管体16か
ら、ノズル穴11aに通じる通路16′を通過してノズル穴1
1a内へと最適条件下にて導入される。
(Problems to be Solved by Prior Art and Invention) In a plasma spray system for injecting powder,
The arc column itself or its ionic body is used as an ultra-high temperature heat source. This utilization plays an important role in the technique of extending the arc column further away from the nozzle jet than in the case of conventional plasma torches. Figure 1 attached
Shown is a conventional plasma spray torch 10 '. The water cooling means has been removed to simplify the drawing. The cylindrical cup-shaped electrical insulator 10 holds a cathode rod 12 extending along the central axis of the insulator 10 at its bottom closure wall. The cathode rod 12 is not in contact with the nozzle member 11 mounted in the opening of the electric insulator 10. The nozzle member 11 has a nozzle hole 11a at the center thereof and provides a plasma spray torch nozzle passage 9. The arc body 17 includes a cathode rod 12 and a nozzle member 11 that acts as an anode.
It is caused by the potential difference between and. The arc body 17 passes between the cathode rod 12 and the inner wall of the nozzle passage 9. Arc body
The length of 17 is extended by the plasma forming gas (G) supplied from the gas supply pipe 15 to the periphery of the cathode rod 12 in the annular manifold 24. Gas supply pipe 15 is an electrical insulator
It is coaxially connected to the insertion hole 15a provided in the cylindrical side wall of the column 10. Inside the cylindrical cup-shaped insulator 10,
A cathode rod (12) which is a transverse partition (13) made of an insulating material such as an insulator (10) is stably supported. A large number of small-diameter through holes 23 are provided in the partition body 13, and the plasma forming gas is sent to the nozzle passage 9 through the periphery of the tapered tip portion 12a of the cathode rod body 12. The powder (P) injected from the nozzle injection port is sent into the gas heated by the arc body 17 at a location beyond the tip portion 18 of the arc body 17. This powder passes from the tube body 16 through the passage 16 ′ leading to the nozzle hole 11a, and the nozzle hole 1
Introduced into 1a under optimal conditions.

非常に明るく輝く略円錐状アーク部19はノズル部9から
少々伸び出ている。このアーク部19はイオン化されたガ
ス体の延長部である。アーク部19内では大量の熱交換が
行われる。粉末粒子(P)はアーク部19を越えて高熱ガ
ス流25内でさらに加熱される。粉末粒子(P)は高速
(音速以下)のガス流25内でさらに加速し、加工対象物
22の表面に激突して塗膜21を形成する。
A very bright and shining substantially conical arc portion 19 extends slightly from the nozzle portion 9. This arc portion 19 is an extension of the ionized gas body. A large amount of heat exchange is performed in the arc portion 19. The powder particles (P) are further heated in the hot gas stream 25 over the arc portion 19. The powder particles (P) are further accelerated in the high-speed (sonic velocity or less) gas flow 25, and are processed.
A coating film 21 is formed by colliding with the surface of 22.

従来式プラズマスプレートーチ10′の1例 使用プラズマ形成ガス:窒素(G:100SCFH) ノズル通路9の半径:約4mm 使用電流:750アンペア 使用電圧:80ボルト 円錐状アーク部突出長:約8.5mm 最大達成電力:60kw 陽極・陰極損失電圧:30ボルト 加熱能力:37.5kw 実動加熱能力(冷却水への熱損失20%の場合):30kw プラズマガスエンタルピー増加:約14,500BTU/ポンド いわゆる低電圧アーク(約80ボルト)を採用する現在の
プラズマ装置は図1のごとくに構成されている。噴射す
る材料が耐熱性であれば、高温加熱領域を設けることは
大きな利点となる。しかし、非耐熱性の材料であれば、
このようなプラズマシステムは利用が困難であった。
One example of conventional plasma spray torch 10 ′ Plasma forming gas: Nitrogen (G: 100SCFH) Nozzle passage 9 radius: Approx. 4 mm Operating current: 750 amps Operating voltage: 80 V Conical arc projection length: Approx. 8.5 mm Maximum Achieved power: 60kw Anode / cathode loss voltage: 30V Heating capacity: 37.5kw Actual heating capacity (when heat loss to cooling water is 20%): 30kw Plasma gas enthalpy increase: Approximately 14,500 BTU / lb So-called low voltage arc ( The current plasma system which employs about 80 volts is constructed as shown in FIG. If the material to be sprayed is heat resistant, providing a high temperature heating region is a great advantage. However, if it is a non-heat resistant material,
Such a plasma system has been difficult to use.

従来のプラズマトーチは、図1の略円錐状アーク部19通
過時に粉末粒子をほとんど瞬時に加熱するものであっ
た。この粉末粒子のほとんど(特に小型のもの)は完全
に溶融し、蒸発することさえある。炭化タングステン
(WC)のごとき耐熱性材料はデカーボナイズされ、不都
合なW2Cを形成する。溶融粒子は重度に酸化することも
ある。
The conventional plasma torch heats the powder particles almost instantly when passing through the substantially conical arc portion 19 of FIG. Most (particularly small ones) of these powder particles melt completely and even evaporate. Refractory materials such as tungsten carbide (WC) are decarbonized to form unwanted W 2 C. The molten particles can also be heavily oxidized.

「D−GUN」と呼称される装置は、従来の瞬時加熱式プ
ラズマ装置とは異なり、ずっと低温で、長く延びた高速
熱源を提供する。この低温・高速熱源により、粉末粒子
は溶融することなく加熱されて軟化する。その軟化した
粒子はその化学的組成を維持し、大気中の加工対象物に
噴射されたときでさえもわずかに酸化するだけである。
The device referred to as "D-GUN" provides a much faster, long-lasting heat source at much lower temperatures, unlike conventional flash plasma devices. The low-temperature, high-speed heat source heats and softens the powder particles without melting them. The softened particles maintain their chemical composition and only slightly oxidize when sprayed onto a work piece in the atmosphere.

図2はアークを伸張させる改良非トランスファー型プラ
ズマアークトーチの縦方向断面図である。図2aは、図2
に図示されたトーチのノズル噴出口部分の拡大断面図で
ある。この改良型プラズマスプレートーチ10は電気絶縁
材料でなる円筒カップ体30を有している。円筒カップ体
30の開口部には円筒形ノズル部材31が係合している。円
筒カップ体30の底部は底部壁30aを定義する。底部壁30a
は、円筒体30の内部である円柱状チャンバー41の中央軸
部に沿って延びた陰極棒体32を保持している。陰極棒体
32の先端部32aは、トーチノズル通路34を定義するノズ
ル穴壁31aのノズル上流開口部に形成されており、チャ
ンバー41内に開いた略円錐形状部35内に突き出ている。
FIG. 2 is a longitudinal cross-sectional view of an improved non-transfer type plasma arc torch for extending an arc. 2a is the same as FIG.
FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of a nozzle ejection port portion of the torch illustrated in FIG. The improved plasma spray torch 10 has a cylindrical cup body 30 made of an electrically insulating material. Cylindrical cup body
A cylindrical nozzle member 31 is engaged with the opening of 30. The bottom of the cylindrical cup body 30 defines a bottom wall 30a. Bottom wall 30a
Holds a cathode rod body 32 extending along the central shaft portion of the cylindrical chamber 41 inside the cylindrical body 30. Cathode rod
A tip portion 32a of 32 is formed in the nozzle upstream opening of the nozzle hole wall 31a that defines the torch nozzle passage 34, and projects into a substantially conical portion 35 opened in the chamber 41.

プラズマ形成ガス流(G)は、円柱状チャンバー41に対
して垂直に提供されているガス供給管26から通路33を介
してチャンバー41内に供給され、強力な渦流となり、先
細となった略円錐形状部35でさらに加速されてノズル通
路34内へと導かれる。高速渦流の小径となった中心コア
部は、通路34の壁であるノズル穴壁31a近辺のガス層よ
りもガス圧が低い。ノズル穴34a内に伸び出したアーク
柱37は、その低圧中心部を通過することにより、ノズル
通路34の噴出部34aを越えて伸び出すことができる。こ
の現象の解明は為されていないが、通路34の径を減少さ
せ、又/あるいは、アーク電流を増加させることによっ
て、音速以下の場合に生じるアーク陽極に関する抑圧力
を排除するような臨界圧力降下が、通路34を介して大気
に通じるその通過経路において創出されるからであろう
と考えられる。超音速流を利用すれば、アーク陽極領域
はさらに拡張可能である。
The plasma-forming gas flow (G) is supplied into the chamber 41 through the passage 33 from the gas supply pipe 26 provided perpendicularly to the cylindrical chamber 41, becomes a strong vortex, and becomes a substantially tapered cone. The shape portion 35 is further accelerated and guided into the nozzle passage 34. The central core, which has a small diameter of the high-speed vortex, has a lower gas pressure than the gas layer near the nozzle hole wall 31a that is the wall of the passage 34. The arc column 37 extending into the nozzle hole 34a can extend beyond the ejection portion 34a of the nozzle passage 34 by passing through the low pressure center portion thereof. Although this phenomenon has not been elucidated, the critical pressure drop that eliminates the suppression of the arc anode that occurs at subsonic speeds by decreasing the diameter of the passage 34 and / or increasing the arc current. Is created in its transit path to the atmosphere via passageway 34. The arc anode area can be further expanded using supersonic flow.

伸張されたアーク部37(イオン化領域)は、前述従来例
のイオン化された略円錐状アーク部19(図1)より小径
のアーク部となっており、その長さも圧倒的に長くなっ
ている。
The extended arc portion 37 (ionization region) is an arc portion having a smaller diameter than the ionized substantially conical arc portion 19 (FIG. 1) of the above-mentioned conventional example, and its length is also overwhelmingly long.

プラズマスプレートーチ10の使用例 使用プラズマ形成ガス:窒素(G:120SCFH) ノズル通路の半径:約2.4mm 使用電流:400アンペア 使用電圧:200ボルト 円錐状アーク部突出長:約30mm 最大達成電力:80kw 陽極・陰極損失電圧:30ボルト プラズマガスエンタルピー増加:約27,000BTU/ポンド
(冷却水への熱損失20%の場合) このエンタルピーは前述例のほぼ2倍である。
Example of using plasma spray torch 10 Plasma forming gas: Nitrogen (G: 120SCFH) Nozzle passage radius: Approx. 2.4 mm Operating current: 400 amps Operating voltage: 200 V Conical arc projection length: Approx. 30 mm Maximum achieved power: 80 kw Anode / cathode loss voltage: 30 V Plasma gas enthalpy increase: Approximately 27,000 BTU / lb (when heat loss to cooling water is 20%) This enthalpy is almost double that of the previous example.

図2aに示すノズル通路34の陽極噴出部36において、陽極
での加熱と、大気中の酸素とによって円筒形ノズル部材
31には侵食部39が略円錐台形状に形成される。この形成
開始には装置使用開始後の数時間を要し、侵食部39が拡
大するにつれ、侵食速度は減速する。この減速は、侵食
部39内への酸素の流入を妨害するガスのためであろうと
考えられる。このような侵食部39の存在は不都合であ
り、排除するに越したことはない。
In the anode ejection portion 36 of the nozzle passage 34 shown in FIG. 2a, the cylindrical nozzle member is heated by the anode and oxygen in the atmosphere.
An erosion portion 39 is formed in the shape of a truncated cone 31 in the portion 31. It takes several hours after the start of use of the apparatus to start the formation, and the erosion rate decreases as the erosion portion 39 expands. It is considered that this deceleration is due to the gas that obstructs the inflow of oxygen into the eroded portion 39. The presence of such an eroded portion 39 is inconvenient and is best excluded.

従って、本発明の目的は、前述のごときプラズマトーチ
ノズル噴出口付近の陽極ノズル部の使用寿命を延長する
方法及び装置の提供にある。
Therefore, an object of the present invention is to provide a method and apparatus for extending the service life of the anode nozzle portion near the plasma torch nozzle ejection port as described above.

(課題を解決するための手段及び作用) 本発明は改良型プラズマアークトーチに関するものであ
る。このプラズマアークトーチは内部にチャンバーを提
供する円筒形絶縁体を含んでいる。円筒体の一方の端部
は陽極である円筒状ノズル体であり、その中央軸部には
ノズル通路が設けられている。閉鎖された他方の端部か
らは陰極棒体が円筒体内部チャンバーの中央軸に沿って
延び出ている。陰極棒体は陽極とは電気的に絶縁されて
いる。略円錐形状の陰極棒体先端部に面したノズル通路
の端部はチャンバー内に略円錐状に広がっており、陰極
棒体先端部を非接触的に包んでいる。
(Means and Actions for Solving the Problems) The present invention relates to an improved plasma arc torch. The plasma arc torch includes a cylindrical insulator that provides a chamber inside. One end of the cylindrical body is a cylindrical nozzle body serving as an anode, and a nozzle passage is provided in a central shaft portion thereof. A cathode rod extends from the closed end along the central axis of the cylindrical inner chamber. The cathode rod is electrically insulated from the anode. The end portion of the nozzle passage facing the tip portion of the substantially conical cathode rod body extends in a substantially conical shape in the chamber, and covers the tip portion of the cathode rod body in a non-contact manner.

円筒体内には内部チャンバーに加圧ガスを導入するガス
供給手段が提供されている。陰極棒体の先端部と陽極と
の間には電位差が生じており、陽極から陰極にプラズマ
アークが創出される。陽極ノズル噴出口の周囲には通
常、環状の金属製リング体が提供されている。本発明の
改良点は、ノズル通路内に不連続部、すなわち変形部を
提供することにあり、この変形部によってアーク柱は延
長され、アーク柱はノズル通路噴出口に至るまで充分な
制御下に置かれる。
Gas supply means for introducing pressurized gas into the internal chamber is provided in the cylindrical body. There is a potential difference between the tip of the cathode rod and the anode, and a plasma arc is created from the anode to the cathode. An annular metal ring body is usually provided around the anode nozzle ejection port. The improvement of the present invention is to provide a discontinuity, that is, a deformed portion in the nozzle passage, which extends the arc column, and the arc column is under sufficient control until reaching the nozzle passage ejection port. Placed.

好適には、プラズマ形成ガスは陽極ノズル通路から離れ
た位置で、円筒絶縁体内部チャンバーに垂直方向に供給
され、ノズル通路内に延びる低圧渦流コア部を形成さ
せ、この低圧渦流ガスコア部はノズル通路内を部分的に
延びる小径のアーク柱を形成させる。ノズル通路の壁部
に沿った渦流ガスの境界層によりノズル通路内をアーク
柱が通過し、ノズル通路の変形部において、あるいはそ
の直後の下流側においてアーク部が提供されるのがよ
い。
Suitably, the plasma-forming gas is supplied vertically to the cylindrical insulator inner chamber at a location remote from the anode nozzle passage to form a low pressure vortex core portion extending into the nozzle passage, the low pressure vortex gas core portion being provided in the nozzle passage. A small diameter arc column is formed that extends partially inside. It is preferable that the arc column passes through the nozzle passage by the boundary layer of the vortex gas along the wall portion of the nozzle passage, and the arc portion is provided at the deformed portion of the nozzle passage or immediately downstream thereof.

このような変形部は、ノズル通路の噴出口から、あるい
はノズル通路の他端から適当な環状溝部形成機を挿入し
て、ノズル通路内部を削加工することで形成つることが
できる。あるいは、ノズル通路の双方向からの加工によ
って、通路内部に環状突起部を提供することも可能であ
る。
Such a deformed portion can be formed by inserting an appropriate annular groove forming machine from the ejection port of the nozzle passage or from the other end of the nozzle passage and cutting the inside of the nozzle passage. Alternatively, it is also possible to provide the annular projection inside the passage by processing the nozzle passage in both directions.

好適には、トーチによって噴射粒子が加熱過多とならな
いように、アーク柱の下流側の高速熱ガス流内に噴射用
材料を提供する手段が提供される。ノズル通路内の変形
部は、アーク柱の終了部と噴射材料提供手段との中間に
提供されることが望ましい。
Suitably, means are provided for providing the injectable material in the high velocity hot gas stream downstream of the arc column so that the torch does not overheat the injected particles. The deformed portion in the nozzle passage is preferably provided between the end portion of the arc column and the injection material providing means.

(好適実施例の解説) 図3を解説する。プラズマスプレートーチ10″は円筒カ
ップ状電気絶縁体30と、その閉じた底部から延び出てお
り、略円錐状先端部32aを有し、電気絶縁体30の中央軸
部に提供された陰極棒体32と、電気絶縁体30内部のチャ
ンバー41と、カップ体30の底部の反対側の開口部に提供
された陰極ノズル体31′と、を含んでいる。陰極棒体32
の略円錐状先端部32aは、ノズル通路54(ノズル穴51)
を有するノズル本体31′のチャンバー41に向かって略円
錐状に開いた略円錐形状部35内に非接触式に挿入されて
いる。本発明のノズル本体31′は図1及び図2のノズル
本体よりも長く形成されている。本実施例の陰極ノズル
体52のノズル通路54の先端部(ノズル噴出口)52aに
は、チャンバー41側の他のノズル部分よりも径が大きく
加工された大径ノズル穴部57が提供されている。大径ノ
ズル穴部57の上流部(噴出口の反対側)には環状棚部58
が提供されており、その形状の作用によってアーク陽極
リング59をノズル先端部52aから距離を置いて形成させ
る。
(Explanation of the Preferred Embodiment) FIG. 3 is explained. The plasma spray torch 10 ″ extends from the cylindrical cup-shaped electrical insulator 30 and its closed bottom, has a substantially conical tip 32a, and is a cathode rod provided on the central shaft of the electrical insulator 30. 32, a chamber 41 inside the electrical insulator 30, and a cathode nozzle body 31 'provided in an opening opposite the bottom of the cup body 30. Cathode rod body 32.
The substantially conical tip portion 32a of the nozzle passage 54 (nozzle hole 51)
It is inserted in a non-contact type into a substantially conical portion 35 that is opened in a substantially conical shape toward the chamber 41 of the nozzle body 31 'having the. The nozzle body 31 'of the present invention is formed longer than the nozzle body of FIGS. The tip portion (nozzle ejection port) 52a of the nozzle passage 54 of the cathode nozzle body 52 of the present embodiment is provided with a large-diameter nozzle hole portion 57 having a larger diameter than the other nozzle portion on the chamber 41 side. There is. An annular shelf 58 is provided upstream of the large-diameter nozzle hole 57 (opposite the ejection port).
The arc anode ring 59 is formed at a distance from the nozzle tip portion 52a by the action of its shape.

陰極棒体32周囲の渦流ガス53はノズル通路54の略円錐形
状部35を通過し、ノズル通路54に沿ってアーク柱55を集
束させる。集束したアーク柱55はノズル通路54の下流先
端部52に送られ、噴出口から噴出される。環状棚部58は
比較的その幅が狭く、外気中の酸素が到達しない箇所に
設けられている。大径ノズル穴部57の直径は他の狭いノ
ズル穴部51の直径よりも1/10大きければよい。典型的な
高電圧操作においては、アーク陽極リング59は、陰極棒
体下流先端部から約95mmの箇所に形成される。この場合
のノズル穴51は約129mmであり、大径ノズル穴部57は約9
mmである。典型的なプラズマアークトーチにおいては、
プラズマ形成ガス(G)は窒素ガスであり、作業電圧は
400ボルトである。大径ノズル穴部57の長さを相対的に
増加させることにより、使用電圧を低下させることが可
能である。
The vortex gas 53 around the cathode rod 32 passes through the substantially conical portion 35 of the nozzle passage 54 and focuses the arc column 55 along the nozzle passage 54. The focused arc column 55 is sent to the downstream tip portion 52 of the nozzle passage 54 and ejected from the ejection port. The annular shelf 58 has a relatively narrow width and is provided at a location where oxygen in the outside air does not reach. The diameter of the large diameter nozzle hole 57 may be 1/10 larger than the diameter of the other narrow nozzle hole 51. In typical high voltage operation, the arc anode ring 59 is formed approximately 95 mm from the cathode rod downstream tip. The nozzle hole 51 in this case is about 129 mm, and the large diameter nozzle hole 57 is about 9 mm.
mm. In a typical plasma arc torch,
The plasma forming gas (G) is nitrogen gas, and the working voltage is
It is 400 volts. By relatively increasing the length of the large diameter nozzle hole 57, it is possible to reduce the operating voltage.

狭い幅の環状棚部58によってアークの長さに関する特質
を充分に制御することが可能であることは特筆に値す
る。この特徴によって本発明のプラズマスプレー装置は
従来式のプラズマスプレー装置と比して一段と優れたも
のになっている。
It is worth noting that the narrow width annular ledge 58 allows for sufficient control of the arc length characteristics. This feature makes the plasma spray device of the present invention far superior to conventional plasma spray devices.

この改良現象は、陽極ノズル穴壁に沿った周辺流の撹乱
によって、アークがこの撹乱箇所の下流直後にノズル穴
壁との間でアーク陽極リング59を形成させるためである
と考えられる。
It is considered that this improvement phenomenon is due to the disturbance of the peripheral flow along the wall of the anode nozzle hole, whereby the arc forms the arc anode ring 59 with the wall of the nozzle hole immediately after the disturbing point.

本発明の別例を紹介する。この例では、大径ノズル穴部
57に代わって環状溝部60が提供されている(図3a)。こ
の環状溝部60の深さは前記の環状棚部58の幅と同一でよ
い。この環状溝部60の作用によってアーク柱55は前記例
と同様にノズル穴51内を安定制御下に延長される。
Another example of the present invention will be introduced. In this example, the large diameter nozzle hole
An annular groove 60 is provided instead of 57 (Fig. 3a). The depth of the annular groove 60 may be the same as the width of the annular shelf 58. By the action of the annular groove portion 60, the arc column 55 is extended in the nozzle hole 51 under stable control as in the above-mentioned example.

図3bにおいて本発明のさらに別例を紹介する。本例で
は、大径ノズル穴部57、あるいは環状溝部60に代わっ
て、上流の他のノズル穴部51よりも小径の小径ノズル穴
部74が提供されている。この小径ノズル穴部74の上流側
環状棚部75の幅も前記の環状棚部58の幅と同一でよい。
この場合も、この環状棚部75の物理的作用によってアー
ク柱55は前記2例同様にノズル穴51内を制御下に延長さ
れる。
Another example of the present invention is introduced in FIG. 3b. In this example, instead of the large diameter nozzle hole portion 57 or the annular groove portion 60, a small diameter nozzle hole portion 74 having a smaller diameter than the other upstream nozzle hole portion 51 is provided. The width of the upstream annular shelf 75 of the small diameter nozzle hole 74 may be the same as the width of the annular shelf 58.
In this case as well, the arc column 55 is controlled and extended in the nozzle hole 51 by the physical action of the annular shelf 75 as in the above-described two examples.

図3cにおいて本発明のさらに別例を紹介する。本例で
は、大径ノズル穴部57、環状溝部60、あるいは小径ノズ
ル穴部74に代わって、環状突起部76が提供される。この
環状突起部76の高さも前記の環状棚部58の幅と同一でよ
い。この場合においても、この環状突起部76の作用によ
ってアーク柱55は前記3例と同様にノズル穴51内で制御
下に延長される。
Still another example of the present invention is introduced in FIG. 3c. In this example, instead of the large diameter nozzle hole portion 57, the annular groove portion 60, or the small diameter nozzle hole portion 74, an annular protrusion portion 76 is provided. The height of the annular protrusion 76 may be the same as the width of the annular shelf 58. Even in this case, the arc column 55 is controlled and extended in the nozzle hole 51 by the action of the annular projection 76 as in the case of the above-mentioned three examples.

以上の本発明の全好適実施例のプラズマアークトーチに
おいても、噴射用粉体は従来と場合と同様にアーク柱55
の下流側の高速ガス流(イオン化領域)内に供給され
る。
Also in the plasma arc torch of all the preferred embodiments of the present invention described above, the injection powder is the same as in the conventional case and the arc column 55.
Is supplied into the high-speed gas stream (ionization region) downstream of the.

図4において、前記4実施例、特に図3の実施例のさら
に改良型を紹介する。このプラズマアーク装置は、噴射
用粉体に対する入力熱量をさらに低減するものである。
本装置は、ノズルから噴出する熱軟化粒子の噴出速度を
さらに高めるのに適している。前例同様に、本装置10
は円筒カップ状電気絶縁体30と、略円錐状先端部32aを
有した陰極棒体32と、陽極ノズル体61と、を含み、陽極
ノズル体61のノズル通路63の上流開口部はチャンバー41
に向かって略円錐形状に開いている。プラズマ形成ガス
は電気絶縁体30内部の内部チャンバー41に垂直に供給さ
れ、陰極棒体32周囲を渦状に通過する。
In FIG. 4, a further improved version of the four embodiments, especially the embodiment of FIG. 3, is introduced. This plasma arc device further reduces the amount of heat input to the powder for injection.
This device is suitable for further increasing the ejection speed of the thermosoftening particles ejected from the nozzle. This device 10
Includes a cylindrical cup-shaped electrical insulator 30, a cathode rod body 32 having a substantially conical tip portion 32a, and an anode nozzle body 61, and an upstream opening of a nozzle passage 63 of the anode nozzle body 61 is a chamber 41.
It opens in a substantially conical shape toward. The plasma forming gas is vertically supplied to the inner chamber 41 inside the electrical insulator 30, and spirally passes around the cathode rod 32.

ノズル下流先端部付近のノズル穴中間部には、上流側の
他のノズル穴74よりも大径の円筒状大径ノズル部65が提
供されており、その上流側の縁部には環状棚部66が形成
されており、その下流側の縁部には丸みを帯びた狭搾部
67が形成されている。環状棚部66は、前記の環状棚部5
8、環状溝部60、環状棚部75、あるいは環状突起部76と
同様に作用し、アーク陽極リング62を創出する。狭搾部
67はガス流の加速により、上流ガス流を望ましいガス圧
に維持させるためのものである。下流に向かってノズル
先端部であるノズル噴出口まで徐々に開いている略円錐
台状ノズル穴部68は超音速ジェット流71を形成する。超
音速ジェット流71はノズル噴出口の下流側で断続的衝撃
部72を形成する。
A cylindrical large-diameter nozzle portion 65 having a larger diameter than the other nozzle holes 74 on the upstream side is provided in the middle portion of the nozzle hole near the downstream end of the nozzle, and an annular shelf portion is provided on the upstream edge thereof. 66 is formed, and a rounded squeezed part is formed on the downstream edge.
67 is formed. The annular shelf 66 is the annular shelf 5 described above.
8, the annular groove portion 60, the annular ledge portion 75, or the annular projection portion 76 to act in the same manner to create the arc anode ring 62. Narrowing unit
67 is for maintaining the upstream gas flow at a desired gas pressure by accelerating the gas flow. A substantially frustoconical nozzle hole 68 that gradually opens downstream to the nozzle ejection port, which is the nozzle tip, forms a supersonic jet stream 71. The supersonic jet stream 71 forms an intermittent impact portion 72 on the downstream side of the nozzle ejection port.

噴射用粉末物73は管体69から通路70を介して略円錐台状
ノズル穴部68内の膨張ガス流内に投入され、超音速ジェ
ット流71へと搬出される。粉末粒子73は主にその高温ガ
スのみに影響を受けるが、恐らくは、超音速ジェット流
71を形成する多少の解離ガスにも影響を受けるであろ
う。本例においても、アーク現象を維持し、通常のトー
チにおいて創出される明るく輝く略円錐形状部を形成す
るほどイオン化された粒体は存在しない。イオン化領域
の温度が華氏20,000度程度に達する場合にも、本発明の
改良システムを使用すれば、イオン化された粒子数を半
分にまで減少させることができる。
The powder material 73 for injection is introduced from the tube 69 through the passage 70 into the expanded gas flow in the nozzle hole 68 of the substantially truncated cone shape, and is discharged to the supersonic jet flow 71. The powder particles 73 are mainly affected only by their hot gases, but probably the supersonic jet flow.
It will also be affected by some of the dissociated gas forming 71. Also in this example, there are not enough ionized particles to maintain the arcing phenomenon and form the bright and shiny generally conical shape created in a conventional torch. Even when the temperature in the ionization region reaches as high as 20,000 degrees Fahrenheit, the improved system of the present invention can reduce the number of ionized particles by half.

本発明システムにおいては紫外線の危険性は排除されて
いる。しかし、ジェット流の温度は内燃方式のものより
もずっと高い。従って、運搬される粒子73は、加工対象
物に到達するまでに素早く軟化される。加工対象物と衝
突する前のガスエンタルピーと、ジェット流速度と、粒
子運搬距離との間の関係を調整することにより、粒子73
を適当な熱軟化状態にすることが可能である。
The danger of UV radiation is eliminated in the system of the invention. However, the temperature of the jet stream is much higher than that of the internal combustion type. Therefore, the transported particles 73 are quickly softened by the time they reach the object to be processed. By adjusting the relationship between the gas enthalpy before colliding with the work piece, the jet velocity and the particle transport distance, the particles 73
Can be brought into an appropriate heat softened state.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

図1は加工対象物のスプレー塗布加工に採用される従来
型のプラズマスプレートーチの縦方向断面図である。 図2は非トランスファー型プラズマアークトーチの別例
の縦方向断面図である。 図2aは図2のプラズマアークトーチのノズル噴出口の拡
大断面図である。 図3は本発明の1好適実施例による非トランスファー型
プラズマアークトーチ先端部の縦方向断面図である。 図3aは本発明の別好適実施例よる非トランスファー型プ
ラズマアークトーチ先端部の縦方向断面図である。 図3bは本発明の別好適実施例よる非トランスファー型プ
ラズマアークトーチ先端部の縦方向断面図である。 図3cは本発明の別好適実施例よる非トランスファー型プ
ラズマアークトーチ先端部の縦方向断面図である。 図4は本発明のさらに別な好適実施例よる非トランスフ
ァー型プラズマアークトーチ先端部の縦方向断面図であ
る。
FIG. 1 is a vertical cross-sectional view of a conventional plasma spray torch used for spray application processing of an object to be processed. FIG. 2 is a vertical cross-sectional view of another example of the non-transfer type plasma arc torch. FIG. 2a is an enlarged sectional view of a nozzle ejection port of the plasma arc torch of FIG. FIG. 3 is a vertical cross-sectional view of the tip of a non-transfer type plasma arc torch according to a preferred embodiment of the present invention. FIG. 3a is a vertical cross-sectional view of a tip portion of a non-transfer type plasma arc torch according to another preferred embodiment of the present invention. FIG. 3b is a vertical cross-sectional view of the tip of a non-transfer type plasma arc torch according to another preferred embodiment of the present invention. FIG. 3c is a vertical cross-sectional view of the tip of a non-transfer type plasma arc torch according to another preferred embodiment of the present invention. FIG. 4 is a vertical cross-sectional view of a tip portion of a non-transfer type plasma arc torch according to still another preferred embodiment of the present invention.

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】プラズマアークトーチであって、 円筒状電気絶縁容器(30)と、 該円筒状容器の一方の底部に提供された電気絶縁底部壁
と、 該円筒状容器の他方の底部に提供され、該円筒状容器の
中心軸に沿って下流側に延びたノズル穴(51)を含み、
陽極として作用する導電性ノズル体(52)と、を備え、 前記電気絶縁底部壁の中央から、前記円筒状容器の中心
軸に沿って該円筒状容器内部に突き出し、前記導電性ノ
ズル体(52)とは接触せずに該ノズル体(52)とは電気
的に絶縁された陰極棒体(32)と、 を含んでおり、 前記円筒状容器内部に面した前記ノズル穴(51)端部に
は該円筒状容器内部に向かって略円錐台状に開いた略円
錐台形状部(35)が提供されており、前記円筒状容器内
部の前記陰極棒体(32)の先端部は略円錐形状であり、
該円錐形状陰極棒体先端部は前記ノズル穴の前記略円錐
台形状部(35)内に非接触式に挿入されており、 さらに、 前記円筒体容器内部に加圧プラズマ形成ガスを導入する
ガス供給手段を含み、該容器内部に導入された加圧プラ
ズマ形成ガス(53)が前記陰極棒体周囲を渦状に進行し
て前記ノズル穴(51)に達するようにデザインされてお
り、 さらに、 前記陰極棒体(32)と前記ノズル体(52)との間に電位
差を付与する電位左付与手段を含み、前記ノズル穴(5
1)から前記陰極棒体先端部にプラズマアークを創出さ
せ、 さらに、 前記ノズル穴(51)の噴出口から上流側に距離をおいた
前記ノズル穴内に該ノズル穴の径を変化させるように変
形部が設けられており、該変形部近辺にて発生プラズマ
アークを好適に変形し、該変形部直下流にイオン化領域
を有するアーク柱(55)はノズル穴噴出口に至るまで好
条件に維持され、前記陽極ノズル穴噴出部周辺の使用寿
命を延長し、前記ノズル穴内全長にわたって前記アーク
は充分な制御下に置かれており、前記プラズマ形成ガス
は前記容器内に垂直方向に供給されて前記陰極棒体周囲
を渦流となって進行し、前記ノズル穴内に低圧・高速コ
アガス流を創出し、該コアガス流は前記ノズル穴内の途
中まで小径の集束アーク柱(55)を提供し、前記ノズル
穴壁に沿った渦ガス流層は前記変形部あるいはその直下
流に該変形部の作用によってアーク陽極リング(59)を
形成し、 さらに、 前記アーク柱(55)の下流側の、高速であって、実質的
にイオンが含まれない高温ガス流内に噴出材料を導入す
る材料供給手段を含み、該高温ガス流の該材料供給領域
温度は前記アーク柱の温度よりも低温であり、前記材料
の加熱過多を防止している、 ことを特徴とするプラズマアークトーチ。
1. A plasma arc torch comprising a cylindrical electrically insulating container (30), an electrically insulating bottom wall provided at one bottom of the cylindrical container, and at the other bottom of the cylindrical container. And including a nozzle hole (51) extending downstream along the central axis of the cylindrical container,
A conductive nozzle body (52) acting as an anode, the conductive nozzle body (52) protruding from the center of the electrically insulating bottom wall along the central axis of the cylindrical container into the cylindrical container. ) And a cathode rod body (32) electrically insulated from the nozzle body (52) without contacting the nozzle body (52), and the end of the nozzle hole (51) facing the inside of the cylindrical container. Is provided with a substantially frustoconical portion (35) that opens in a substantially frustoconical shape toward the inside of the cylindrical container, and the tip portion of the cathode rod (32) inside the cylindrical container has a substantially conical shape. The shape,
The tip portion of the conical cathode rod body is inserted in the substantially truncated cone shape portion (35) of the nozzle hole in a non-contact manner, and further, a gas for introducing a pressurized plasma forming gas into the inside of the cylindrical container. It is designed so that the pressurized plasma forming gas (53) introduced into the container including the supply means advances spirally around the cathode rod body and reaches the nozzle hole (51). The nozzle hole (5) includes a potential left applying means for applying a potential difference between the cathode rod body (32) and the nozzle body (52).
A plasma arc is created at the tip of the cathode rod body from 1), and is further deformed so as to change the diameter of the nozzle hole in the nozzle hole that is located upstream from the ejection port of the nozzle hole (51). Part is provided, the plasma arc generated in the vicinity of the deformed portion is suitably deformed, and the arc column (55) having an ionization region immediately downstream of the deformed portion is maintained under favorable conditions until reaching the nozzle hole ejection port. , Extending the service life around the ejection portion of the anode nozzle hole, the arc is placed under sufficient control over the entire length of the nozzle hole, and the plasma forming gas is vertically supplied into the container to form the cathode. A low-pressure / high-speed core gas flow is created in the nozzle hole by advancing as a vortex flow around the rod body, and the core gas flow provides a focused arc column (55) with a small diameter up to the middle of the nozzle hole, and the nozzle hole wall To The swirled gas flow layer forms an arc anode ring (59) in the deformed portion or immediately downstream thereof by the action of the deformed portion, and further, at a high speed at the downstream side of the arc column (55), A material supply means for introducing a jetted material into a hot gas stream that does not contain ions, the temperature of the material supply region of the hot gas stream being lower than the temperature of the arc column, and excessive heating of the material. The plasma arc torch is characterized in that
【請求項2】前記変形部は前記ノズル穴の噴出口から該
ノズル穴内部に延びている柱状大径ノズル穴部(57)の
上流側縁部に提供された環状棚部(58)であり、該柱状
大径ノズル穴部の径は上流側の他のノズル穴部の径より
も大きいことを特徴とする請求項1記載のプラズマアー
クトーチ。
2. The deformed portion is an annular shelf portion (58) provided on an upstream side edge portion of a columnar large-diameter nozzle hole portion (57) extending from the ejection port of the nozzle hole to the inside of the nozzle hole. The plasma arc torch according to claim 1, wherein the diameter of the columnar large-diameter nozzle hole is larger than the diameter of the other nozzle hole on the upstream side.
【請求項3】前記柱状大径ノズル穴部の直径は、その上
流の他のノズル穴部の直径よりも25%以内の範囲で大き
いことを特徴とする請求項2記載のプラズマアークトー
チ。
3. The plasma arc torch according to claim 2, wherein the diameter of the columnar large-diameter nozzle hole portion is larger than the diameters of other nozzle hole portions upstream thereof within the range of 25%.
【請求項4】前記柱状大径ノズル穴部の直径は、その上
流の他のノズル穴部の直径よりも40%以内の範囲で大き
く、前記ノズル穴内の前記環状棚部の位置は望むアーク
電圧によって決定されることを特徴とする請求項2記載
のプラズマアークトーチ。
4. The diameter of the columnar large-diameter nozzle hole is larger than the diameter of other nozzle holes upstream of the column within 40%, and the position of the annular shelf in the nozzle hole is the desired arc voltage. A plasma arc torch according to claim 2, characterized in that
【請求項5】前記変形部は環状溝部(60)であり、該環
状溝部のノズル穴(51)内での位置、その深さ及び幅
は、該環状溝部の直下流にアーク陽極リング(59)を創
出させるように決定されることを特徴とする請求項1記
載のプラズマアークトーチ。
5. The deformed portion is an annular groove portion (60), and the position, depth and width of the annular groove portion in the nozzle hole (51) are determined by the arc anode ring (59) immediately downstream of the annular groove portion. ) The plasma arc torch according to claim 1, characterized in that
【請求項6】前記変形部は、上流のノズル穴部よりも径
が小さな柱状小径ノズル穴部(74)の上流側に提供され
た環状棚部(75)であり、該環状棚部のノズル穴(51)
内での位置は、該環状棚部の直下流にアーク陽極リング
(59)を創出させるように決定されることを特徴とする
請求項1記載のプラズマアークトーチ。
6. The deformed portion is an annular shelf (75) provided on the upstream side of a columnar small-diameter nozzle hole (74) having a smaller diameter than the upstream nozzle hole, and the nozzle of the annular shelf is provided. Holes (51)
A plasma arc torch according to claim 1, characterized in that its position within is determined to create an arc anode ring (59) immediately downstream of the annular ledge.
【請求項7】前記変形部は環状突起部(76)であり、該
環状突起部のノズル穴(51)内での位置は、該環状突起
部の直下流にアーク陽極リング(59)を創出させるよう
に決定されることを特徴とする請求項1記載のプラズマ
アークトーチ。
7. The deformed portion is an annular protrusion (76), and the position of the annular protrusion in the nozzle hole (51) creates an arc anode ring (59) immediately downstream of the annular protrusion. The plasma arc torch according to claim 1, wherein the plasma arc torch is determined to be set.
【請求項8】前記変形部はノズル穴(74)内部の中間部
に提供された柱状大径ノズル穴部(65)の上流側縁部に
提供された環状棚部(66)であり、該柱状大径ノズル穴
部の下流側縁部には狭搾部(67)が提供されており、該
柱状大径ノズル穴部の下流には該狭搾部より前記ノズル
穴噴出口まで徐々に径が大きく形成されている略円錐台
状ノズル穴部(68)が提供されており、前記ノズル穴噴
出口にて超音速ジェット流が創出されることを特徴とす
る請求項1記載のプラズマアークトーチ。
8. The deformed portion is an annular shelf portion (66) provided at an upstream side edge of a columnar large diameter nozzle hole portion (65) provided at an intermediate portion inside the nozzle hole (74), A narrowed portion (67) is provided on the downstream side edge of the columnar large diameter nozzle hole, and a diameter gradually increases from the narrowed portion to the nozzle hole ejection port downstream of the columnar large diameter nozzle hole. 2. A plasma arc torch according to claim 1, wherein a substantially frustoconical nozzle hole portion (68) having a large diameter is provided, and a supersonic jet flow is created at the nozzle hole jet port. .
【請求項9】プラズマアークトーチのプラズマスプレー
法であって、 該プラズマアークトーチは、 円筒状電気絶縁容器と、 該円筒状容器の一方の底部に提供された電気絶縁底部壁
と、 該円筒状容器の他方の底部に提供され、該円筒状容器の
中心軸に沿って下流側に延びたノズル穴を含み、陽極と
して作用する導電性ノズル体と、 前記電気絶縁底部壁の中央から、前記円筒状容器の中心
軸に沿って該円筒状容器内部に突き出し、前記導電性ノ
ズル体とは接触せず、該ノズル体とは電気的に絶縁され
た陰極棒体と、 を含んでおり、 前記円筒状容器内部に面した前記ノズル穴端部には、前
記円筒状容器内部に向かって略円錐台状に開いた略円錐
台形状部が提供されており、前記円筒状容器内部の前記
陰極棒体の先端は略円錐状の略円錐形状体となってお
り、略円錐形状の該陰極棒体先端部は前記ノズル穴の前
記略円錐台形状部内に非接触的に挿入されており、 前記プラズマアークトーチのプラズマスプレー法は、 前記円筒状容器内部に加圧プラズマ形成ガスを導入する
ガス供給手段から加圧ガスを供給し、該容器内部の前記
陰極棒体周囲を渦状に進行させ、 前記陰極棒体と前記ノズル体との間に電位差を付与する
電位差付与手段にて両者間に電位差を創出させ、前記ノ
ズル穴から前記陰極棒体先端部にプラズマアークを創出
し、 該ノズル穴噴出口から適当な距離にて前記ノズル穴内に
適当な大きさと形状の変形部を設け、該変形部近辺にて
発生プラズマアークを好適に変形し、該変形部の直下流
にアーク陽極リングを創出させ、その下流にイオン化領
域を有するアーク柱を前記ノズル穴噴出口に至るまで維
持し、該ノズル穴内全長にわたって前記アークを充分な
制御下に置き、前記陽極ノズル穴噴出口周辺部の使用寿
命を延長させ、 前記アーク柱の下流側の高速で実質的にイオンが含まれ
ない高温ガス流内に噴出用材料を導入する材料供給手段
にて前記高温ガス流内に材料粒子を供給し、該材料粒子
の過剰加熱を排除し、加工対象物の表面に軟化された前
記材料粒子を超音速で衝突させて加工する、 ことを特徴とするプラズマアークトーチのプラズマスプ
レー法。
9. A plasma spray method for a plasma arc torch, wherein the plasma arc torch comprises a cylindrical electrically insulating container, an electrically insulating bottom wall provided at one bottom of the cylindrical container, and the cylindrical shape. A conductive nozzle body that is provided at the other bottom of the container and that extends downstream along the central axis of the cylindrical container and that acts as an anode; and from the center of the electrically insulating bottom wall, the cylinder The cathode rod body that protrudes into the cylindrical container along the central axis of the cylindrical container, does not contact the conductive nozzle body, and is electrically insulated from the nozzle body; The end of the nozzle hole facing the inside of the cylindrical container is provided with a substantially frustoconical portion that opens in a substantially frustoconical shape toward the inside of the cylindrical container, and the cathode rod inside the cylindrical container. The tip of is a substantially conical body with a substantially conical shape The tip end of the substantially conical cathode rod body is inserted into the substantially frustoconical part of the nozzle hole in a non-contact manner, and the plasma spray method of the plasma arc torch includes the inside of the cylindrical container. A pressurized gas is supplied from a gas supply means for introducing a pressurized plasma forming gas into the container, the cathode rod body inside the container is swirled, and a potential difference is applied between the cathode rod body and the nozzle body. A potential difference is created between the two by means of a potential difference providing means, a plasma arc is created from the nozzle hole to the tip of the cathode rod body, and an appropriate size is provided in the nozzle hole at an appropriate distance from the nozzle hole jet port. A deformed portion of a shape is provided, the generated plasma arc is suitably deformed in the vicinity of the deformed portion, an arc anode ring is created immediately downstream of the deformed portion, and an arc column having an ionized region is provided downstream thereof. A full hole inside the nozzle hole, the arc is placed under sufficient control over the entire length of the nozzle hole to extend the service life of the peripheral portion of the anode nozzle hole outlet, and substantially at high speed downstream of the arc column. Surface of the object to be processed by supplying the material particles into the high temperature gas flow by means of a material supply means for introducing the jetting material into the high temperature gas flow that does not contain ions, excluding excessive heating of the material particles. A plasma spray method of a plasma arc torch, characterized in that the softened material particles are processed by colliding at a supersonic speed.
【請求項10】前記変形部の前記ノズル穴内での位置
は、前記陽極ノズル体と前記陰極棒体との間の望まれる
アーク電圧の強度によって決定されることを特徴とする
請求項9記載のプラズマアークトーチのプラズマスプレ
ー法。
10. The position of the deformed portion within the nozzle hole is determined by the intensity of the desired arc voltage between the anode nozzle body and the cathode rod body. Plasma arc torch plasma spray method.
【請求項11】前記変形部の下流側に狭搾部を提供し、
イオンを含まない高温ガスを超音速に加速し、該狭搾部
の下流側には前記ノズル噴出口に向かって徐々に径を大
きくする略円錐台形状ノズル部を提供し、該略円錐台形
状ノズル部に噴出用材料を供給することを特徴とする請
求項10記載のプラズマアークトーチのプラズマスプレー
法。
11. A squeezing section is provided on the downstream side of the deforming section,
An ion-free high-temperature gas is accelerated to supersonic speed, and a substantially frustoconical nozzle section is provided on the downstream side of the narrowing section, the diameter of which gradually increases toward the nozzle ejection port. 11. The plasma spray method for a plasma arc torch according to claim 10, wherein a jetting material is supplied to the nozzle portion.
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