JP2005529747A - フィードバック制御を利用する高温粉体溶着装置及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、基材上への高温粉体溶着に関し、より具体的には、長期の溶着期間にわたり高品質で高密度の溶着物を得るための粉体溶着制御に関する。
燃料と酸化剤との混合物を燃焼させて溶着ガス流を形成し、粉体を溶着ガス流内部へ混合させて溶着混合流（４４）を形成し、溶着混合流（４４）を放出する溶着ガン（３２）を使用して溶着基材（５２）上に溶着物を形成する。溶着ガン（３２）は流動冷却媒体を備える。溶着ガン（３２）への燃料流量と、溶着ガン（３２）への酸化剤流量と、溶着ガン（３２）への粉体流量と流動冷却媒体の冷却能力は、全て計測される。燃料流量と、酸化剤流量と、粉体流量と流動冷却媒体の冷却能力は、全て計測段階に応答して制御される。

Description

本発明は、基材上への高温粉体溶着に関し、より具体的には、長期の溶着期間にわたり高品質で高密度の溶着物を得るための粉体溶着制御に関する。

物品の表面は、温度、腐食、酸化、磨耗、及び同様のものなどの過酷な環境条件に曝される場合が多い。物品の母材は一般に、強度、耐クリープ性、耐疲労性、及び同様のものなどの機械的特性を考慮して選定され、多くの場合において、母材は、表面環境条件に耐えることができない。従って、物品の表面を保護溶着物又は皮膜で保護することは一般的によく行われていることである。溶着物の性質は、物品が使用中に受けるであろう環境条件の種類を考慮して選定される。

他の適用分野では、物品は、その大部分の区域に対して適切な機械的特性を有するが、特定の区域では不適切な機械的特性を有する軽量材料で作られる可能性がある。溶着物をこれらの区域に適用して、強度、耐疲労性、耐クリープ性及び同様のものなどを改善することができる。１つの実施例では、タングステンカーバイド／コバルト（ＷＣ／Ｃｏ）表面硬化溶着物が、航空機用ガスタービンエンジンで使用されるチタン合金ファンブレードに対して補強材として適用される。

基材上に比較的薄い溶着物を溶着させる多数の方法がある。この方法は、溶着されることになる材料の性質、基材の性質、被覆されることになる面積、要求される特性、コスト、及び他の考慮事項に応じて選定される。良く知られている溶着技術の１つにおいて、溶着装置は、該溶着装置内へ供給される粉体粒子を少なくとも部分的に溶融させる高温を発生する。高温ガスと粒子との混合物は、溶着装置から出て、溶融部分が凝固して接着性皮膜を形成する被覆対象物品の表面上へ放出される。

皮膜が特に高品質でなければならないときには、このような溶着に対する優れた選択は、爆発ガンすなわちＧ−ガンである。この装置では、爆発ガンの内部で制御された爆発が、供給される粉体を部分的に溶融させてこれを基材へ向けて押し出す衝撃波を発生する。爆発ガンは、大型で重いという欠点を有し、従って、本質的に所定位置に定置しなければならない。被覆されることになる物品は、爆発ガンに対して適切な位置まで移動する必要がある。この要件は、被覆されることになる物品が大型で物品自体が操作困難なときには問題となる。加えて、爆発ガンで実施できるものに対する溶着物の品質に対して改善が所望されている。
特開平０２−１３１１６０号公報

従って、高温溶着法の改善に対するニーズが存在する。本発明は、このニーズを達成し、更に関連する利点を提供する。

本発明は、高度に制御可能であり、長期間にわたり安定しており、被覆される物品の周囲に容易に移動可能であるためロボットへの搭載及び制御に適用可能な軽量溶着ガンを使用する粉体溶着装置及び方法を提供する。本発明に先立つ研究において、高速フレーム（ＨＶＯＦ）粉体溶着は、軽量溶着ガンに対する可能性と高品質な溶着物を生成する可能性とを有することが明らかにされた。利用可能なＨＶＯＦ溶着装置は、十分な制御性に欠け、その結果許容することのできない溶着物の品質となった。本発明は、この制御性を提供するものである。

粉体溶着装置は、溶着基材上への溶着物の形成が実施可能である。粉体溶着装置は、燃料と酸化剤の混合物が燃焼して加圧溶着ガス流を発生する燃焼チャンバと、加圧溶着ガス流が粉体流と混合されて溶着混合流を形成するミキサと、該ミキサから溶着混合流を受けて該溶着混合流を溶着基材へ向かって配向する溶着流配向器と、ミキサ及び溶着流配向器を貫通して通り、且つこれらと冷却連通する冷却媒体（通常は水）で動作可能な冷却構造部とを有する溶着ガンを備える。好適なセンサを使用して、計器アレイは、燃焼チャンバへの燃料の流量の燃料計測値と、燃焼チャンバへの酸化剤の流量の酸化剤計測値と、ミキサへ供給される粉体の流量の粉体計測値と、冷却媒体の冷却能力の冷却媒体計測値とを提供する。溶着コントローラは、燃料計測値に応答して自動的に制御される、燃焼チャンバと連通する燃料の制御可能な燃料源と、酸化剤計測値に応答して自動的に制御される、燃焼チャンバと連通する酸化剤の制御可能な酸化剤源とを含む。粉体流の制御可能な粉体源はミキサと連通する。制御可能な粉体源は、粉体計測値に応答して自動的に制御される。溶着コントローラは更に、冷却構造部へ冷却媒体の入口流を供給する、冷却媒体流の制御可能な冷却媒体源を含み、ここでは制御可能な冷却媒体源が冷却媒体計測値に応答して自動的に制御される。

１つの実施形態において、ミキサは、中央粉体流インジェクタと、中央粉体流インジェクタの縁部の周囲に配置された溶着ガスインジェクタのセットとを含む。溶着流配向器は、バレルの第１の端部に位置付けられたミキサから溶着混合流を受けるバレルと、第１の端部と向かい合うバレルの第２の端部に位置付けられ、溶着混合流を基材に向けて放出するよう動作可能な粉体スプレーノズルとを含む。冷却構造部は、ミキサ及び溶着流配向器の少なくとも一部の周囲に延びる冷却ジャケットを含む。

好ましくは、制御可能な燃料源は、水素ガス源を含み、制御可能な酸化剤源は、酸素ガス源を含む。最も好ましくは、水素ガスと酸素ガスとの流量比は、約２．２から約２．６までである。制御可能な粉体源は、キャリアガス内に同伴された粉体混合物源を含む。最も好ましい粉体は、タングステンカーバイド粉体とコバルト粉体の混合物である。

１つの変形では、冷却媒体計測値は、冷却構造部からの冷却媒体出口流の温度計測値などの冷却媒体流の温度計測値である。溶着コントローラは、冷却媒体出口流を受け、計測された温度に応答して冷却媒体出口流を制御可能に冷却し、冷却された流動冷却媒体を冷却構造部へ供給する熱交換器を含む。冷却媒体計測値は、冷却媒体流量の計測値で代用することができ、流量コントローラは、冷却媒体の流量計測値に応答して冷却媒体流を供給する。

その小型化と軽量化により、溶着ガンは、ロボットヘッドによる支持及び移動が可能である。

溶着基材上に溶着物を形成するための方法は、燃料と酸化剤との混合物を燃焼させて溶着ガス流を形成し、粉体を溶着ガス流内へ混合させて溶着混合流を形成し、溶着混合流を放出する溶着ガンを提供する段階を含む。溶着ガンは、流動冷却媒体を備える。溶着ガンへの燃料流量と、溶着ガンへの酸化剤流量と、溶着ガンへの粉体流量と、流動冷却媒体の冷却能力とは、全て計測される。本方法は、燃料流量と、酸化剤流量と、粉体流量と、流動冷却媒体の冷却能力とを、全て計測段階に応答して定値制御する段階を含む。本明細書で説明した本発明の他の適合する特徴は、本方法と併せて使用可能である。

本方法は、その溶着物が品質において爆発ガン技術と同等及び場合によっては爆発ガン技術より優れている溶着技術を提供する。本方法は、爆発ガンよりもはるかに移動性の高い軽量の溶着ガンを使用し、従って、物品ではなく溶着ガンを移動させることが可能できる。しかしながら、既存の溶着技術は、燃料流、酸化剤流、粉体流、及び冷却媒体の冷却能力などのような動作パラメータに密接に依存する欠点を有することが分かった。本発明のフィードバック制御技術は、これらのパラメータを定値制御することによって、溶着技術の時間的安定性を向上させる。

本発明の他の特徴及び利点は、例証として本発明の原理を示す添付図面と併せて、好ましい実施形態の以下のより詳細な説明から明らかになるであろう。しかしながら、本発明の技術的範囲は、本明細書で説明する好ましい実施形態に限定されるものではない。

図１は、基材上で溶着物を形成するための方法を示し、図２は、本溶着を達成するための実施可能な粉体溶着装置３０を示す。粉体溶着装置３０は、段階２０で提供される。粉体溶着装置３０の好ましい形態は、図３に示す溶着ガン３２を含み、燃料入口３６を通じて供給される燃料と酸化剤入口３８を通じて供給される酸化剤との混合物が燃焼して加圧溶着ガス流を発生する燃焼チャンバ３４を含む。ミキサ４０内で、加圧溶着ガス流が、粉体流４２と混合されて溶着混合流４４を形成する。ミキサは、中央粉体流インジェクタと、該中央粉体流インジェクタの縁部の周囲に配置された溶着ガスインジェクタのセットを含むのが好ましい。バレル４８と、ミキサ４０からバレル４８に沿って向かい合って配置された粉体スプレーノズル５０とを含む溶着流配向器４６は、ミキサ４０からの溶着混合流４４を受ける。粉体スプレーノズル５０は、溶着混合流４４内部の圧力を高め、その結果、該溶着混合流を溶着基材５２へ向かって高速で放出して、該溶着基材上に溶着物５４を形成する。溶着ガン３２は、ミキサ４０、溶着流配向器４６及び燃焼チャンバ３４を通り且つこれらと冷却連通する、流動冷却媒体により作動可能な冷却構造部５６を更に含む。好ましい流動冷却媒体は、水入口５８を通じて供給されて水出口６０を通じて排出される水流である。冷却構造部５６は、任意の作動可能な形態のものとすることができるが、好ましくは冷却区域を囲み且つ内部水流容積６４を有するウォータ・ジャケット６２である。

本方法では、溶着ガン３２は、図２に示す溶着コントローラ７０と連動して用いられる。溶着コントローラ７０は、燃焼チャンバ３４の燃料入口３６と連通する燃料の制御可能な燃料源７２と、燃焼チャンバ３４の酸化剤入口３８と連通する酸化剤（好ましくは酸素ガス）の制御可能な酸化剤源７４と、ミキサ４０への粉体流４２と連通する粉体流の制御可能な粉体源７６と、冷却構造部５６に対して冷却媒体の入口流５８を供給する、流動冷却媒体流の制御可能な冷却媒体源７８とを含む。

制御可能な燃料源７２は、入力燃料流（好ましくは水素ガス）を受け、燃料入口３６に制御された燃料流を出力する燃料コントローラ８０を含む。燃料流量センサ８２は、燃料入口３６への燃料流量を感知して、該情報を燃料フィードバック信号８４として燃料コントローラ８０へ供給する。燃料コントローラ８０は、燃料設定点８６と燃料フィードバック信号８４との差を小さく、好ましくはゼロに維持することによって、燃料入口３６への燃料流を燃料設定点８６の固定値に自動的に維持する。

制御可能な酸化剤源７４は、入力酸素流（好ましい酸化剤）を受けて、酸化剤入口３８への制御された流れを出力する酸素コントローラ９０を含む。酸素流量センサ９２は、酸化剤入口３８への酸素流量を感知して、該情報を酸素フィードバック信号９４として酸素コントローラ９０へ供給する。酸素コントローラ９０は、酸素設定点９６と酸素フィードバック信号９４との差を小さく、好ましくはゼロに維持することによって、酸化剤入口３８への酸素流を酸素設定点９６の固定値に自動的に維持する。

制御可能な粉体源７６は、アルゴン又は窒素などのキャリアガスと混合された入力粉体流を受けて、粉体流４２を出力する粉体コントローラ１００を含む。粉体流量センサ１０２は、粉体流４２の粉体質量を感知して、該情報を粉体フィードバック信号１０４として粉体コントローラ１００へ提供する。粉体コントローラ１００は、粉体設定点１０６と粉体フィードバック信号１０４との差を小さく、好ましくはゼロに維持することによって、粉体流４２を粉体設定点１０６の固定値に自動的に維持する。

制御可能な水源７８は、入力水流を受けて水入口５８への水流を出力する水コントローラ１１０を含む。水センサ１１２は、水入口５８へ到達する水流の冷却能力を感知して、該情報を水フィードバック信号１１４として水コントローラ１１０へ供給する。水コントローラ１１０は、水制御設定点１１６と水フィードバック信号１１４との差を小さく、好ましくはゼロに維持することによって、水流量を水制御設定点１１６で規定された冷却能力の固定値に自動的に維持する。

水センサ１１２によって計測される水流による冷却能力は、水温又は水入口５８への水の流量、或いはこれら２つの値の組み合わせとすることができる。閉ループ冷却システム内での水温を制御するために、水コントローラ１１０は、制御可能な熱交換器へ水制御信号１１８を供給し、該熱交換器で溶着ガン３２を出て水出口６０を通過する水流から熱が除去される。水出口６０から出る水流の熱をより多く除去し、従って水温を下げるために、熱交換器１２０への冷却水量が増大される。水の流量を制御するために、水コントローラ１１０は流量制御バルブを含む。

溶着ガン３２の性能がこれらの動作パラメータの僅かな変動に対して非常に敏感であるため、溶着コントローラ７０のこのフィードバック制御システムが必要なものであることが見出された。フィードバック制御システムが無い場合では、設定点からの通常作動の変動は、溶着ガン３２の性能、場合によっては溶着物５４の品質が大きく変動する。

爆発ガン法と比較すると、本方法の重要な利点の１つは、本発明の溶着ガン３２の重量が、溶着ガンが支持するホースの重量を含めて約５〜１０ポンドしかないことである。従って、溶着ガン３２は、ロボットヘッド６８から延びるアーム６６上に取り付けることができ、基材５２を構成するワークピースの周囲に移動させることができる。比較すると、爆発ガンは、非常に重いため固定したままとしなければならず、ワークピースを移動させる必要がある。

粉体溶着装置３０のプロトタイプでは、好ましい燃料は水素ガスであり、好ましい酸化剤は酸素ガスであり、好ましい水素と酸素の比は約２．２から約２．６まで、約２．４が最も好ましく、３５〜７０標準立方フィート／分でアルゴンキャリアガスと混合されたＭｅｔｃｏ７３ＦＮＳＷＣ／Ｃｏ粉体の好ましい粉体流量は、１８〜２５グラム／分であった。水は水入口５８へ一定流量で流れ、水温は、上述の熱交換器１２０の制御によって、設定点値（好ましくは６８°Ｆ）に制御された。

本方法は、プロトタイプの装置を用いた実施となり、２つの主要な競合する溶着手法に対する比較試験を実施した。チタン合金基材上に溶着されたタングステンカーバイド／コバルトの複数の試料が、本方法、本方法で使用されたものと同じ溶着ガンを利用するが溶着コントローラ７０を使用しない方法、及びＤ−ガン法によって作製された。試料は、関連の適用分野において事前に有効と決定された磨耗試験に各試料を供することによって試験された。磨耗試験では、２つの同一の試料を互いに突き当てて滑らせ、２００万サイクル後に、材料厚みの損耗を計測した。溶着ガン３２及び溶着コントローラ７０を用いた本方法は、結果として平均材料損耗計測値が０．２ミル（千分の１インチ）であった。溶着ガン３２だけを用いて溶着コントローラ７０を使用しない方法は、平均材料損耗計測値が０．８３ミルであった。Ｄ−ガン法は、平均材料損耗計測値が３．０５ミルであった。

本発明の他の特徴及び利点は、例証として本発明の原理を示す添付図面と併せて好ましい実施形態の上記のより詳細な説明から明らかになるであろう。しかしながら、本発明の範囲は、本明細書の好ましい実施形態に限定されるものではない。

本発明を実施するための好ましい方法のブロックフロー図。 溶着装置のシステム概略図。 溶着ガンの断面図。

符号の説明

３０ 粉体溶着装置
３２ 溶着ガン
３４ 燃焼チャンバ
４０ ミキサ
４２ 粉体流
４４ 溶着混合流
４６ 溶着流配向器
４８ バレル
５２ 溶着基材
５６ 冷却構造
６８ ロボットヘッド
７０ 溶着コントローラ
７２ 制御可能な燃料源
７４ 制御可能な酸化剤源
７６ 制御可能な粉体源
７８ 制御可能な冷却媒体源
１１０ 流量コントローラ
１２０ 熱交換器

Claims (14)

1. 溶着基材（５２）上への溶着物の形成を実施可能とする粉体溶着装置（３０）であって、
   燃料と酸化剤との混合物が燃焼して加圧溶着ガス流を発生する燃焼チャンバ（３４）と、前記加圧溶着ガス流が粉体流（４２）と混合されて溶着混合流（４４）を形成するミキサ（４０）と、該ミキサ（４０）からの前記溶着混合流（４４）を受けて該溶着混合流（４４）を前記溶着基材（５２）に向かって配向する溶着流配向器（４６）と、前記ミキサ（４０）及び前記溶着流配向器（４６）を通り且つこれらと冷却連通する流動冷却媒体により作動可能な冷却構造部（５６）とを含む溶着ガン（３２）と、
   前記燃焼チャンバ（３４）への燃料流量の燃料計測値と、前記燃焼チャンバ（３４）への酸化剤の流量の酸化剤計測値と、前記ミキサ（４０）へ供給される粉体の流量の粉体計測値と、前記冷却媒体の冷却能力の冷却媒体計測値とを提供する計器アレイと、
   前記燃料計測値に応答して自動的に制御される、前記燃焼チャンバ（３４）と連通する燃料の制御可能な燃料源（７２）と、前記酸化剤計測値に応答して自動的に制御される、前記燃焼チャンバ（３４）と連通する酸化剤の制御可能な酸化剤源（７４）と、前記粉体計測値に応答して自動的に制御される、前記ミキサ（４０）と連通する粉体流（４２）の制御可能な粉体源（７６）と、前記冷却媒体計測値に応答して自動的に制御される、前記冷却構造部（５６）への冷却媒体入口流を提供する冷却媒体流の制御可能な冷却媒体源（７８）とを含む溶着コントローラ（７０）と、
   を備える粉体溶着装置（３０）。
2. 前記ミキサ（４０）が、
   中央粉体流インジェクタと、
   前記中央粉体流インジェクタの縁部の周囲に配置された溶着ガスインジェクタのセットと、
   を含む請求項１に記載の粉体溶着装置（３０）。
3. 前記溶着流配向器（４６）が、
   バレル（４８）の第１の端部に位置付けられたミキサ（４０）から前記溶着混合流（４４）を受けるバレル（４８）と、
   前記第１の端部と向かい合う前記バレル（４８）の第２の端部に位置付けられ、前記溶着混合流を前記基材（５２）に向けて放出するよう動作可能な粉体スプレーノズル（５０）と、
   を含む請求項１に記載の粉体溶着装置（３０）。
4. 前記冷却構造部（５６）が、前記ミキサ（４０）及び前記溶着流配向器（４６）の少なくとも一部の周囲に延びる冷却ジャケットを含む請求項１に記載の粉体溶着装置（３０）。
5. 前記制御可能な燃料源（７２）が水素ガス源を含み、前記制御可能な酸化剤源（７４）が酸素ガス源を含む請求項１に記載の粉体溶着装置（３０）。
6. 前記水素ガスと前記酸素ガスの流量比が、約２．２から約２．６までである請求項５に記載の粉体溶着装置（３０）。
7. 前記制御可能な粉体源（７６）がキャリアガス内に同伴された粉体混合物源を含む請求項１に記載の粉体溶着装置（３０）。
8. 前記冷却媒体計測値が前記流動冷却媒体の温度計測値を含み、前記制御可能な冷却媒体源（７８）が、冷却媒体出口流を受けて計測温度に応答して前記冷却媒体出口流を制御可能に冷却し、冷却された冷却媒体流を前記冷却構造部（５６）に供給する熱交換器（１２０）を含む請求項１に記載の粉体溶着装置（３０）。
9. 前記冷却媒体計測値が前記冷却構造部（５６）からの前記冷却媒体出口流の出口温度計測値を含み、前記制御可能な冷却媒体源（７８）が、前記冷却媒体出口流を受けて計測された出口温度に応答して前記冷却媒体出口流を制御可能に冷却し、冷却された冷却媒体流を前記冷却構造部（５６）へ供給する熱交換器（１２０）を含む請求項１に記載の粉体溶着装置（３０）。
10. 前記冷却媒体計測値が冷却媒体流量計測値を含み、前記制御可能な冷却媒体源（７８）が、前記冷却媒体の流量計測値に応答して前記冷却媒体流を供給する流量コントローラ（１１０）を含む請求項１に記載の粉体溶着装置（３０）。
11. 溶着ガン（３２）を支持し且つ移動させるロボットヘッド（６８）を更に含む請求項１に記載の粉体溶着装置（３０）。
12. 溶着基材（５２）上に溶着物を形成するための方法であって、
    燃料と酸化剤との混合物を燃焼させて溶着ガス流を形成し、粉体を前記溶着ガス流内へ混合させて溶着混合流（４４）を形成し、前記溶着混合流（４４）を放出する、流動冷却媒体を備える溶着ガン（３２）を提供する段階と、
    前記溶着ガン（３２）への燃料流量と、前記溶着ガン（３２）への酸化剤流量と、前記溶着ガン（３２）への粉体流量と、前記冷却媒体流の冷却能力と、を計測する段階と、
    前記燃料流量と、前記酸化剤流量と、前記粉体流量と、前記冷却媒体の冷却能力とを、全て前記計測段階に応答して定値制御する段階と、
    を含む方法。
13. 前記計測段階が、前記冷却媒体流の冷却媒体温度を計測する段階を含む請求項１２に記載の方法。
14. 前記計測段階が、前記冷却媒体流の冷却媒体流量を計測する段階を含む請求項１２に記載の方法。

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