JP2006002242A - Plasma thermal spraying device - Google Patents

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Masaharu Nakamori
正治 中森
Takayuki Aisaka
隆行 相坂
Osamu Ishibashi
修 石橋
Fumito Yoshikawa
文人 吉川
Tadahiro Shimazu
忠弘 島津
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SHIMAZU KOGYO KK
Osaka Fuji Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a plasma thermal spraying device where a plasma jet flame can be continuously generated at high output for a relatively long time. <P>SOLUTION: The plasma thermal spraying device is provided with: a cathode electrode 10 having a tungsten chip 12; a nozzle-shaped first anode electrode 20 arranged in front of the cathode electrode 10; a first feed hole 31 of feeding inert gas to the vicinity of the cathode electrode 10; a nozzle member 40 arranged in front of the first anode electrode 20; a rotary type second anode electrode 50 arranged in front of the nozzle member 40; and a second feed hole 32 of feeding air, water or water vapor to the space part of the nozzle member 40. Electric discharge is generated between the cathode electrode 10 and the first anode electrode 20 to produce a pilot plasma flame, and electric discharge is generated between the cathode electrode 10 and the second anode electrode 50 to produce a plasma jet flame that is the one grown from the above pilot plasma flame. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、プラズマ溶射装置、特に、１００ｋＷｈを超える高出力でプラズマジェットフレームを発生することのできるプラズマ溶射装置に関する。   The present invention relates to a plasma spraying apparatus, and more particularly to a plasma spraying apparatus capable of generating a plasma jet flame with a high output exceeding 100 kWh.

従来、プラズマ溶射のための装置が種々提供されており、通常は、タングステン電極（カソード電極）とノズル状のアノード電極との間に放電を発生させることでプラズマフレームを生じさせるようにしていた。電極の周囲には窒素ガス又はアルゴンガスを供給し、タングステン電極の消耗を防止している。しかし、この種のプラズマ溶射装置では発生するプラズマフレームの出力が４５ｋＷｈ程度であり、必ずしも満足できる出力ではなかった。   Conventionally, various apparatuses for plasma spraying have been provided. Usually, a plasma flame is generated by generating a discharge between a tungsten electrode (cathode electrode) and a nozzle-like anode electrode. Nitrogen gas or argon gas is supplied around the electrode to prevent the tungsten electrode from being consumed. However, in this type of plasma spraying apparatus, the output of the generated plasma flame is about 45 kWh, which is not always satisfactory.

そこで、特許文献１に記載されているように、炭素棒電極（カソード電極）と回転金属円板（アノード電極）との間に放電を発生させ、かつ、この電極近傍に水を供給することでプラズマフレームを発生させる水プラズマ溶射装置が提案されている。   Therefore, as described in Patent Document 1, a discharge is generated between the carbon rod electrode (cathode electrode) and the rotating metal disk (anode electrode), and water is supplied to the vicinity of the electrode. A water plasma spraying device that generates a plasma flame has been proposed.

この水プラズマ溶射装置によると、確かにプラズマフレームを高出力で発生させることが可能である。しかしながら、カソード電極である炭素棒電極の消耗が激しく、連続しては２時間強程度しか稼働できないという問題点を有している。
特開２００２−４７５５１号公報 According to this water plasma spraying apparatus, it is possible to generate a plasma flame with high output. However, the carbon rod electrode, which is a cathode electrode, is exhausted so that it can be operated only for about 2 hours continuously.
JP 2002-47551 A

そこで、本発明の目的は、プラズマジェットフレームを高出力で比較的長時間にわたって連続して発生することのできるプラズマ溶射装置を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a plasma spraying apparatus capable of continuously generating a plasma jet flame at a high output for a relatively long time.

前記目的を達成するため、本発明は、電極間にプラズマフレームを発生させ、該プラズマフレームに供給された溶射材を被処理物上に溶射するプラズマ溶射装置において、カソード電極と、該カソード電極の前方に配置されたノズル状の第１アノード電極と、前記カソード電極の近傍に不活性ガスを供給する第１供給手段と、前記第１アノード電極の前方に配置されたノズル部材と、該ノズル部材の前方に配置された第２アノード電極と、前記ノズル部材の空間部に空気、水又は水蒸気を供給する第２供給手段と、を備え、前記カソード電極と第１アノード電極との間に放電を発生させることでパイロットプラズマフレームを生じさせ、前記カソード電極と第２アノード電極との間に放電を発生させることで前記パイロットプラズマフレームが成長したプラズマジェットフレームを生じさせることを特徴とする。   In order to achieve the above object, the present invention provides a plasma spraying apparatus for generating a plasma flame between electrodes and spraying a spray material supplied to the plasma flame on an object to be processed. Nozzle-shaped first anode electrode arranged in front, first supply means for supplying an inert gas in the vicinity of the cathode electrode, nozzle member arranged in front of the first anode electrode, and the nozzle member And a second supply means for supplying air, water, or water vapor to the space of the nozzle member, and discharging between the cathode electrode and the first anode electrode. Generating a pilot plasma flame and generating a discharge between the cathode electrode and the second anode electrode to generate the pilot plasma flame Characterized in that to produce the grown plasma jet frame.

本発明に係るプラズマ溶射装置によれば、まず、カソード電極と第１アノード電極との間に放電を発生させることでパイロットプラズマフレームが生じ、さらに、カソード電極と第２アノード電極との間に放電を発生させると共に、空気、水又は水蒸気を供給することで前記パイロットプラズマフレームがプラズマジェットフレームに成長して生じる。このように生じたプラズマジェットフレームは１００ｋＷｈを超える高出力（数百ｋＷｈ程度）を有する。しかも、カソード電極に従来の水プラズマ溶射装置の如く炭素棒を使用していないため、長時間にわたる連続稼働が可能である。   According to the plasma spraying apparatus of the present invention, first, a pilot plasma flame is generated by generating a discharge between the cathode electrode and the first anode electrode, and further, a discharge is generated between the cathode electrode and the second anode electrode. The pilot plasma flame grows into a plasma jet flame by supplying air, water or water vapor. The plasma jet flame generated as described above has a high output (about several hundred kWh) exceeding 100 kWh. Moreover, since a carbon rod is not used for the cathode electrode unlike the conventional water plasma spraying apparatus, continuous operation over a long time is possible.

なお、パイロットプラズマフレームとプラズマジェットフレームとは本装置の稼働時において明瞭に区別されるものではない。   The pilot plasma flame and the plasma jet flame are not clearly distinguished when the apparatus is in operation.

本発明に係るプラズマ溶射装置において、電極部材やノズル部材は、耐溶融性、高導電性、高熱伝導性を有することが好ましく、最も適切な材料は銅である。従って、カソード電極は、銅からなり、先端にタングステンチップが設けられ、かつ、水冷手段を備えていることが好ましい。また、第１アノード電極は、銅からなり、かつ、水冷手段を備えていることが好ましい。さらに、ノズル部材は、銅からなり、水冷手段を備えていることが好ましい。   In the plasma spraying apparatus according to the present invention, the electrode member and the nozzle member preferably have melting resistance, high conductivity, and high thermal conductivity, and the most suitable material is copper. Therefore, the cathode electrode is preferably made of copper, provided with a tungsten tip at the tip, and provided with water cooling means. The first anode electrode is preferably made of copper and provided with water cooling means. Further, the nozzle member is preferably made of copper and provided with water cooling means.

さらに、第２アノード電極は、消耗を極力防止するため、ニッケル又は鋼からなり、所定の速度で回転可能で、かつ、水冷手段を備えていることが好ましい。   Further, the second anode electrode is preferably made of nickel or steel, can be rotated at a predetermined speed, and includes water cooling means in order to prevent wear as much as possible.

以下、本発明に係るプラズマ溶射装置の実施例について添付図面を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of the plasma spraying apparatus according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

図１に示すように、本発明の一実施例であるプラズマ溶射装置１は、カソード電極１０と、該カソード電極１０の前方に配置されたノズル状の第１アノード電極２０と、カソード電極１０の近傍に不活性ガス（窒素ガス又はアルゴンガス）を供給する第１供給孔３１と、第１アノード電極２０の前方に配置されたノズル部材４０と、該ノズル部材４０の前方に配置された第２アノード電極５０と、ノズル部材４０の空間部４１の入口部分に空気、水又は水蒸気を供給する第２供給孔３２と、を備えている。   As shown in FIG. 1, a plasma spraying apparatus 1 according to an embodiment of the present invention includes a cathode electrode 10, a nozzle-like first anode electrode 20 disposed in front of the cathode electrode 10, and a cathode electrode 10. A first supply hole 31 for supplying an inert gas (nitrogen gas or argon gas) in the vicinity, a nozzle member 40 disposed in front of the first anode electrode 20, and a second member disposed in front of the nozzle member 40. An anode electrode 50 and a second supply hole 32 that supplies air, water, or water vapor to the inlet portion of the space 41 of the nozzle member 40 are provided.

カソード電極１０は、その本体部分１１が銅からなり、本体部分１１の先端にタングステンチップ１２が設けられ、かつ、図示しない水冷手段を備えている。また、第１アノード電極２０は銅からなり、図示しない水冷手段を備えている。   The cathode electrode 10 has a main body portion 11 made of copper, a tungsten tip 12 provided at the tip of the main body portion 11, and a water cooling means (not shown). The first anode electrode 20 is made of copper and includes a water cooling means (not shown).

ノズル部材４０は、銅からなり、図示しない水冷手段を備えている。また、第２アノード電極５０は、ニッケル又は鋼からなる中空の円板体５１からなり、支軸５２を支点として所定の速度で回転可能とされている。さらに、この第２アノード電極５０は図示しない水冷手段を備えている。   The nozzle member 40 is made of copper and includes water cooling means (not shown). The second anode electrode 50 is made of a hollow disc 51 made of nickel or steel, and is rotatable at a predetermined speed with the support shaft 52 as a fulcrum. Further, the second anode electrode 50 includes a water cooling means (not shown).

なお、前記各種の水冷手段は図示しないが、この種のプラズマ溶射装置において、従来から使用されている種々の水冷手段を用いることができる。   The various water cooling means are not shown in the figure, but various water cooling means conventionally used in this type of plasma spraying apparatus can be used.

前記各種部材は本体フレーム２によって一体的に保持されている。また、前記第２アノード電極５０の前方にはセラミックスパウダーを供給するノズル６０が設置されている。   The various members are integrally held by the main body frame 2. A nozzle 60 for supplying ceramic powder is installed in front of the second anode electrode 50.

前記カソード電極１０には電源装置６５の一方の極が接続され、前記第１アノード電極２０及び第２アノード電極５０には電源装置６５の他方の極がスイッチ６６を介して接続されている。   One electrode of a power supply device 65 is connected to the cathode electrode 10, and the other electrode of the power supply device 65 is connected to the first anode electrode 20 and the second anode electrode 50 via a switch 66.

以上の構成からなるプラズマ溶射装置１においては、出力開始時に、スイッチ６６を第１アノード電極２０に接続した状態で、カソード電極１０と第１アノード電極２０との間に放電を発生させることで第１アノード電極２０の空間部にパイロットプラズマフレームを生じさせる。第１供給孔３１からはタングステンチップ１２の周囲に窒素ガス又はアルゴンガスが供給され、タングステンチップ１２の消耗を防止する。   In the plasma spraying apparatus 1 having the above configuration, the discharge is generated between the cathode electrode 10 and the first anode electrode 20 with the switch 66 connected to the first anode electrode 20 at the start of output, thereby generating the first discharge. A pilot plasma flame is generated in the space of one anode electrode 20. Nitrogen gas or argon gas is supplied from the first supply hole 31 around the tungsten chip 12 to prevent the tungsten chip 12 from being consumed.

前記パイロットプラズマフレームが生じると同時に、前記スイッチ６６は第２アノード電極５０側に切り換えられ、カソード電極１０と回転状態にある第２アノード電極５０との間に放電を発生させることで前記パイロットプラズマフレームが成長したプラズマジェットフレームが生じる。このとき、第２供給孔３２からはノズル部材４０の空間部４１の入口部分に空気、水又は水蒸気が供給される。   At the same time as the pilot plasma flame is generated, the switch 66 is switched to the second anode electrode 50 side, and a discharge is generated between the cathode electrode 10 and the second anode electrode 50 in a rotating state, whereby the pilot plasma flame is generated. A plasma jet flame is formed in which the gas is grown. At this time, air, water, or water vapor is supplied from the second supply hole 32 to the inlet portion of the space 41 of the nozzle member 40.

プラズマジェットフレームはノズル部材４０の空間部４１で発生し、該ノズル部材４０から前方に高温状態で高速で噴射される。なお、実際上、プラズマジェットフレームと前記パイロットプラズマフレームとを明瞭に区別することは困難である。このプラズマジェットフレームにノズル６０からセラミックスパウダーを供給することで、該セラミックスパウダーの溶融物が図示しない被処理物の表面に膜状に付着することになる。   The plasma jet flame is generated in the space 41 of the nozzle member 40 and is ejected from the nozzle member 40 forward at a high temperature in a high temperature state. In practice, it is difficult to clearly distinguish the plasma jet flame from the pilot plasma flame. By supplying the ceramic powder from the nozzle 60 to the plasma jet frame, the melt of the ceramic powder adheres to the surface of the workpiece (not shown) in the form of a film.

前記プラズマ溶射装置１において、プラズマジェットフレームは１００ｋＷｈを超える高出力で噴射される。本発明者らの実験によると、第２供給孔３２から空気を供給した場合の出力は約１３０ｋＷｈ、水を供給した場合の出力は約１５５ｋＷｈ、水蒸気を供給した場合の出力は約１７５ｋＷｈであった。   In the plasma spraying apparatus 1, the plasma jet flame is injected at a high output exceeding 100 kWh. According to the experiments by the present inventors, the output when air was supplied from the second supply hole 32 was about 130 kWh, the output when water was supplied was about 155 kWh, and the output when water vapor was supplied was about 175 kWh. .

また、カソード電極１０には前記特許文献１に示した従来の水プラズマ溶射装置の如く炭素棒を使用しておらず、タングステンチップ１２を不活性ガスで保護しているため、約１００時間の連続稼働が可能であった。   Further, the cathode electrode 10 does not use a carbon rod as in the conventional water plasma spraying apparatus disclosed in Patent Document 1, and the tungsten tip 12 is protected with an inert gas. Operation was possible.

（他の実施例）
なお、本発明に係るプラズマ溶射装置は前記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。 (Other examples)
In addition, the plasma spraying apparatus which concerns on this invention is not limited to the said Example, It can change variously within the range of the summary.

特に、電極部材やノズル部材の構成、形状の細部は任意であり、冷却手段の構成も任意である。また、電極部材やノズル部材の材質は、耐溶融性、高導電性、高熱伝導性を考慮して決定され、銅製が好ましいが、必ずしも銅製に限定するものではない。   In particular, the details of the configuration and shape of the electrode member and the nozzle member are arbitrary, and the configuration of the cooling means is also arbitrary. The material of the electrode member and the nozzle member is determined in consideration of melting resistance, high conductivity, and high thermal conductivity, and is preferably made of copper, but is not necessarily limited to copper.

本発明の一実施例であるプラズマ溶射装置を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the plasma spraying apparatus which is one Example of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１…プラズマ溶射装置
１０…カソード電極
１２…タングステンチップ
２０…第１アノード電極
３１…第１供給孔
３２…第２供給孔
４０…ノズル部材
５０…第２アノード電極
６０…溶射材供給ノズル
６５…電源装置 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Plasma spraying apparatus 10 ... Cathode electrode 12 ... Tungsten tip 20 ... 1st anode electrode 31 ... 1st supply hole 32 ... 2nd supply hole 40 ... Nozzle member 50 ... 2nd anode electrode 60 ... Spraying material supply nozzle 65 ... Power supply apparatus

Claims (6)

電極間にプラズマフレームを発生させ、該プラズマフレームに供給された溶射材を被処理物上に溶射するプラズマ溶射装置において、
カソード電極と、
前記カソード電極の前方に配置されたノズル状の第１アノード電極と、
前記カソード電極の近傍に不活性ガスを供給する第１供給手段と、
前記第１アノード電極の前方に配置されたノズル部材と、
前記ノズル部材の前方に配置された第２アノード電極と、
前記ノズル部材の空間部に空気、水又は水蒸気を供給する第２供給手段と、を備え、
前記カソード電極と第１アノード電極との間に放電を発生させることでパイロットプラズマフレームを生じさせ、
前記カソード電極と第２アノード電極との間に放電を発生させることで前記パイロットプラズマフレームが成長したプラズマジェットフレームを生じさせること、
を特徴とするプラズマ溶射装置。 In a plasma spraying apparatus for generating a plasma flame between electrodes and spraying a sprayed material supplied to the plasma flame on a workpiece,
A cathode electrode;
A nozzle-shaped first anode electrode disposed in front of the cathode electrode;
First supply means for supplying an inert gas in the vicinity of the cathode electrode;
A nozzle member disposed in front of the first anode electrode;
A second anode electrode disposed in front of the nozzle member;
A second supply means for supplying air, water or water vapor to the space of the nozzle member,
A pilot plasma flame is generated by generating a discharge between the cathode electrode and the first anode electrode,
Generating a plasma jet flame in which the pilot plasma flame is grown by generating a discharge between the cathode electrode and the second anode electrode;
Plasma spraying device characterized by 前記第１供給手段からは窒素ガス又はアルゴンガスが供給されることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ溶射装置。   The plasma spraying apparatus according to claim 1, wherein nitrogen gas or argon gas is supplied from the first supply means. 前記カソード電極は、銅からなり、先端にタングステンチップが設けられ、かつ、水冷手段を備えていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のプラズマ溶射装置。   3. The plasma spraying apparatus according to claim 1, wherein the cathode electrode is made of copper, a tungsten tip is provided at a tip thereof, and water cooling means is provided. 4. 前記第１アノード電極は、銅からなり、かつ、水冷手段を備えていることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載のプラズマ溶射装置。   4. The plasma spraying apparatus according to claim 1, wherein the first anode electrode is made of copper and includes water cooling means. 5. 前記ノズル部材は、銅からなり、水冷手段を備えていることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３又は請求項４に記載のプラズマ溶射装置。   5. The plasma spraying apparatus according to claim 1, wherein the nozzle member is made of copper and includes water cooling means. 前記第２アノード電極は、ニッケル又は鋼からなり、所定の速度で回転可能で、かつ、水冷手段を備えていることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４又は請求項５に記載のプラズマ溶射装置。   The said 2nd anode electrode consists of nickel or steel, it can rotate at a predetermined | prescribed speed | rate, and is provided with the water-cooling means, The Claim 1, Claim 2, Claim 3, or 4 characterized by the above-mentioned. The plasma spraying apparatus according to claim 5.
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