JP2008274352A - 封止補完方法、金属部材補修方法、金属欠陥補修装置 - Google Patents

Abstract

【課題】表面に欠陥を有する金属部材を良好に補修可能な金属部材補修方法、金属欠陥補修装置を提案する。
【解決手段】表面Ｂｓに欠陥Ｋを有する金属部材Ｂを補修する方法であって、欠陥Ｋを含むように表面Ｂｓの一部を掘り込む第一工程と、掘込部Ｈに対して金属材料粉Ａをノズル１１Ｎから超音速で噴射して堆積させる第二工程と、を有する。掘込部Ｈに堆積した金属皮膜Ｒを加工して所定形状に形成する第三工程を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、封止補完方法、金属部材補修方法、金属欠陥補修装置に関する。

過給器、ポンプ、配管等のようにガス又は液体を流通させたり、タンク等のようにガスや液体を貯蔵したりする機械装置・機械部品では、ガス又は液体を封止する部位（金属部材）に腐食、亀裂或いは鋳物巣のような欠陥が存在すると、内部のガスや液体が漏洩してしまう。
ところが、このような機械装置・機械部品は、容易に分解することができない場合が少なくない。そこで、金属部材に発生した欠陥を、機械装置・機械部品を分解・交換することなく補修する方法、又は組立に先立って予め欠陥を補修する方法として、金属材料粉を金属部材（欠陥部分）に対して音速〜超音速で噴射して、金属皮膜を形成・堆積させる技術が提案されている（特許文献１，２参照）。
特開２００６−１７６８８１号公報 特開２００６−１７６８８２号公報

しかしながら、上述した技術では、必ずしも欠陥上に金属皮膜が良好に形成・堆積しない場合が多い。なぜなら、腐食、亀裂或いは鋳物巣のような欠陥は、その形状が複雑であるため、欠陥を金属皮膜で完全に覆うことが困難だからである。更に、欠陥の表面に、異物が付着したり、酸化層が形成されたりするため、金属皮膜の密着度が低下してしまうからである。
このため、金属部材上の欠陥に対して金属皮膜を良好に付着・堆積させて、欠陥を補修する方法が要請されている。特に、金属部材に形成された流体封止部に発生した欠陥を補修して、封止性能を向上又は補完することが求められている。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、金属部材に形成された流体封止部の封止性能を補完する方法、表面に欠陥を有する金属部材を良好に補修することができる補修方法、金属欠陥補修装置を提案することを目的とする。

本発明に係る封止補完方法、金属部材補修方法、金属欠陥補修装置では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
第１の発明は、金属部材に形成された流体封止部の封止性能を補完する方法であって、前記流体封止部に対して、金属材料粉をノズルから高速で噴射して堆積させることを特徴とする。
また、前記金属部材は、鉄鋼又はアルミニウムからなる鋳物であることを特徴とする。

第２の発明は、表面又は表層に欠陥を有する金属部材を補修する方法であって、前記欠陥を含むように前記表面又は前記表層の一部又は全てを掘り込む第一工程と、前記掘込部に対して金属材料粉をノズルから高速で噴射して堆積させる第二工程と、を有することを特徴とする。
また、前記掘込部に堆積した金属皮膜を加工して所定形状に形成する第三工程を有することを特徴とする。

また、前記表面又は前記表層は、流体封止面を含むことを特徴とする。
また、前記金属部材は、鉄鋼又はアルミニウムからなる鋳物であることを特徴とする。

第３の発明は、表面又は表層に欠陥を有する金属部材を補修する金属欠陥補修装置であって、前記欠陥を含むように前記表面又は前記表層の一部又は全てを掘り込む金属加工部と、前記掘込部に対して金属材料粉をノズルから高速で噴射して堆積させるスプレー部と、を有することを特徴とする。

また、前記金属材料粉の前記金属加工部への飛散を防止する飛散防止部を備えることを特徴とする。
また、前記飛散防止部は、前記ノズルの外周を覆うフードカバーであることを特徴とする。
また、前記欠陥を検出する撮像部を備えることを特徴とする。

本発明によれば以下の効果を得ることができる。
第１の発明では、金属部材に形成された流体封止部に対して金属材料粉を噴射して金属皮膜を形成・堆積させるので、流体封止部の封止性能を容易かつ確実に向上させることができる。

第２の発明では、金属部材の一部を、欠陥を含むように掘り込むので、ノズルから高速で噴射した金属材料粉を確実に掘込部の全体に到達させることができる。また、この掘込部を形成することで、異物や酸化膜を排除できる。したがって、金属皮膜が良好に形成・堆積させることができ、欠陥を補修することができる。

第３の発明では、金属部材の一部を、欠陥を含むように掘り込んで掘込部を形成する金属加工部を備えているので、スプレー部から高速で噴射する金属材料粉が確実に到達できるような掘込部を形成することができる。また、異物や酸化膜を排除できるので、金属皮膜が良好に形成・堆積させることができ、欠陥を補修することができる。

以下、本発明に係る封止補完方法、金属部材補修方法、金属欠陥補修装置の実施形態について、図面を参照して説明する。

〔コールドスプレー装置（スプレー部）〕
図１は、コールドスプレー装置１０の概略を示す模式図である。
コールドスプレー装置１０は、金属材料紛Ａを音速〜超音速で基材Ｂの表面に固体状態で衝突させて金属皮膜Ｒを成膜するための装置であって、金属材料紛Ａを高圧の作動ガスＧと共に噴射するスプレーガン１１、所望量の金属材料紛Ａを高圧ガスと共にスプレーガン１１に供給する粉末供給部１２、作動ガスＧを所定温度に加熱してスプレーガン１１に供給するガス加熱器１３、粉末供給部１２及びガス加熱器１３に対して作動ガスＧを供給する不図示のガス供給部等を備えている。

ガス供給部から供給される高圧の作動ガスＧは２つの経路に分岐され、一方の作動ガスＧ１はガス加熱器１３を経て、室温以上、金属材料紛Ａの融点又は軟化温度よりも低い温度に加熱された後、スプレーガン１１に供給される。他方の作動ガスＧ２は、粉末供給部１２へ送気され、キャリアガスとして金属材料紛Ａと共にスプレーガン１１に供給される。

そして、スプレーガン１１に供給された作動ガスＧ（Ｇ１，Ｇ２）と金属材料紛Ａは、スプレーガン１１の先端のノズル１１Ｎを経て音速〜超音速流となり、ノズル１１Ｎの出口から噴出される。金属材料紛Ａの吹き付け速度は、３００〜８００ｍ／ｓ程度である。
なお、高圧ガス（作動ガス）Ｇとしては、空気、窒素、ヘリウムなどが用いられる。特に、不活性ガス（ヘリウム）が好適である。ガス圧力は、０．２７〜０．６９ＭＰａ程度である。

ノズル１１Ｎの出口から噴出した金属材料紛Ａは、固体のまま基材Ｂに衝突する。そして、高速で基材Ｂに衝突した金属材料紛Ａは、塑性変形して基材Ｂに付着（金属皮膜Ｒを形成）する。また、金属材料紛Ａが基材Ｂに衝突した際に運動エネルギーが熱エネルギーに変わり、材料によっては材料表面が融点を超え結合し強固な密着力を得ることができる。

このように、コールドスプレー装置１０は、金属材料紛Ａを溶融またはガス化させること無く、作動ガスＧと共に音速〜超音速流で固相状態のまま基材Ｂに衝突させて金属皮膜Ｒを形成することができる。
従来のプラズマ溶射法、フレーム溶射法、高速フレーム溶射法などに比べ、材料粉末をあまり加熱せずに固相状態のまま基材Ｂに付着させることができる。
これによって得た金属皮膜Ｒは、緻密で密度、熱伝導率・導電性が高い、密着性も良好である等の優れた性質を有する。特に、金属材料紛Ａを加熱して溶融させないので、酸化や熱変質が殆どないという優れた性質を有する。

〔金属部材補修方法：第一実施形態〕
以下、基材Ｂ上に金属材料紛Ａを堆積させて、表面Ｂｓに存在する欠陥Ｋを補修する方法等について説明する。
図２は、本発明の第一実施形態に係る金属部材補修方法を工程順に説明する図である。

図２（ａ）に示すように、基材Ｂが鉄鋼又はアルミニウムからなる鋳物であり、この鋳肌面（表面Ｂｓ）に巣・ピンホール等の欠陥Ｋが存在している。
鋳物（基材Ｂ）が、例えば、内部に液体や気体等を収容する容器の場合には、この欠陥Ｋから内部の液体や気体等が外部に漏出する可能性がある。そこで、この欠陥Ｋを、予め補修する必要がある。

そこで、まず、図２（ｂ）に示すように、欠陥Ｋを含むように鋳肌面（表面Ｂｓ）の一部を、切削、研磨等の機械加工若しくは化学的加工（研磨等）により、取り除いて掘込部Ｈを形成する。

次に、図２（ｃ）に示すように、コールドスプレー装置１０を用いて、掘込部Ｈに金属材料を堆積させる。
具体的には、コールドスプレー装置１０の粉末供給部１２に、鋳物（基材Ｂ）と同一又は類似する金属材料粉Ａを投入する。そして、ガス供給部を作動させて、高圧の作動ガスＧを粉末供給部１２及びガス加熱器１３に供給する。すると、スプレーガン１１から、金属材料粉Ａが超音速で噴射される。
この際、ガス加熱器１３は、作動ガスＧを、金属材料粉Ａの融点又は軟化温度よりも低い温度に加熱する。

鋳物（基材Ｂ）が、例えば、アルミニウム（ＡＣ２Ｂ−ＦＡ等）から形成される場合には、掘込部Ｈに対してスプレーガン１１からアルミニウム粉（金属材料粉Ａ）を吹き付ける。金属材料粉Ａは、３００〜８００ｍ／ｓ程度の速度で基材Ｂ（掘込部Ｈ）に衝突し、これにより掘込部Ｈ上にアルミニウムからなる金属皮膜Ｒが形成される。

そして、図２（ｄ）に示すように、金属皮膜Ｒを徐々に積層して、掘込部Ｈを金属皮膜Ｒで埋め尽くす。このようにして、鋳物（基材Ｂ）の鋳肌面（表面Ｂｓ）に存在した欠陥Ｋが補修される。

欠陥Ｋを補修する際に、掘込部Ｈを形成するのは、金属皮膜Ｒを鋳物（基材Ｂ）上に付着させやすくするためである。すなわち、鋳肌面（表面Ｂｓ）には、異物が付着していたり、酸化膜や形成されていたりする。このため、単に金属材料粉Ａを吹き付けた場合には、金属皮膜Ｒの密着性が低く、剥離してしまう可能性がある。
更に、欠陥Ｋ自体もその形状が複雑であり、例えば欠陥Ｋの内部に金属材料粉Ａを吹き付けることは困難であるため、欠陥Ｋの補修が不完全となる可能性が非常に高い。
また、コールドスプレーの特性として、作動ガスＧ（金属材料粉Ａ）が良好に入り込まないような小径かつ深い欠陥や細い溝状の欠陥などには肉盛することができず、その欠陥や溝の周りに堆積してしまう。

そこで、上述したように、欠陥Ｋを含むように鋳肌面（表面Ｂｓ）の一部を、例えば、半円形等に削り取る等して、掘込部Ｈを形成する。この掘込部Ｈの表面には、異物や酸化膜が存在せず、しかも、金属材料粉Ａを吹き付けやすい形状となっている。このため、金属材料粉Ａが良好に付着して、密着性の高い金属皮膜Ｒが得られる。したがって、欠陥Ｋを完全に補修することが可能となる。

〔金属部材補修方法：第二実施形態〕
図３は、本発明の第二実施形態に係る金属部材補修方法を工程順に説明する図であって、鋳物等（基材Ｂ）に形成されたシール面（表面Ｂｓ）に欠陥Ｋが存在する場合を示す。
なお、図２の場合と重複する技術内容については、その説明を省略する。

図３（ａ）に示すように、鉄鋼又はアルミニウムからなる鋳物等（基材Ｂ）を機械加工して形成したシール面（表面Ｂｓ）には、巣・ピンホール等の欠陥Ｋが露出している。
シール面（表面Ｂｓ）に欠陥Ｋがあると、液体や気体等を封止する機能が損なわれてしまう。そこで、この欠陥Ｋを、予め補修する必要がある。

そこで、まず、図３（ｂ）に示すように、欠陥Ｋを含むようにシール面（表面Ｂｓ）の一部を、切削、研磨等の機械加工若しくは化学的加工（研磨等）により、取り除いて掘込部Ｈを形成する。

次に、図３（ｃ），（ｄ）に示すように、コールドスプレー装置１０を用いて、掘込部Ｈに金属材料からなる金属皮膜Ｒが形成し、更に金属皮膜Ｒを積層・堆積して、掘込部Ｈを金属皮膜Ｒで埋め尽くす。このようにして、鋳物等（基材Ｂ）のシール面（表面Ｂｓ）に存在した欠陥Ｋが補修される。

最後に、図３（ｅ）に示すように、シール面（表面Ｂｓ）に仕上げ加工を施す。すなわち、掘込部Ｈからはみ出した金属皮膜Ｒを削り取って、シール面（表面Ｂｓ）を所望精度で平坦化する。
このようにして、欠陥Ｋを完全に補修することができると共に、シール面（表面Ｂｓ）の封止性能を確保することができる。

〔金属部材補修方法：第三実施形態〕
図４は、本発明の第三実施形態に係る金属部材補修方法を工程順に説明する図であって、表層Ｂｔに欠陥Ｋが存在する鋳物等（基材Ｂ）にシール面を形成する場合を示す。
なお、図２，図３の場合と重複する技術内容については、その説明を省略する。

図４（ａ）に示すように、鉄鋼又はアルミニウムからなる鋳物等（基材Ｂ）の表層Ｂｔには、巣・ピンホール等の欠陥Ｋが存在している。この欠陥Ｋは、表層Ｂｔを機械加工しなければ露出しないので、外部から目視確認することはできない。
そして、表層Ｂｔを機械加工してシール面を形成したとしても、欠陥Ｋが存在するため、液体や気体等を封止する機能が損なわれてしまう。そこで、この欠陥Ｋを、予め補修（排除）する必要がある。

そこで、まず、図４（ｂ）に示すように、欠陥Ｋを含むように表層Ｂｔ（例えば、表面から１０ｍｍ程度）切削等により取り除く（掘込部Ｈを形成する）。取り除く範囲（領域）は、シール面となる領域と同一若しくはそれよりも広い領域である。

次に、図４（ｃ），（ｄ）に示すように、コールドスプレー装置１０を用いて、掘込部Ｈに金属材料からなる金属皮膜Ｒが形成し、更に金属皮膜Ｒを積層・堆積して、掘込部Ｈを金属皮膜Ｒで埋め尽くす。このようにして、欠陥Ｋの存在しない新たな表層Ｂｔ´を形成する。

最後に、図４（ｅ）に示すように、表層Ｂｔ´に対して仕上げ加工（２，３ｍｍ程度の切削加工）を施す。すなわち、欠陥Ｋの存在しない新たな表層Ｂｔ´を利用して、所望精度で平坦化されたシール面を形成する。
このようにして、シール面から欠陥Ｋを完全に補修（排除）することができると共に、シール面の封止性能を確保することができる。

［封止補完方法］
図５は、シール面（表面Ｂｓ）を備える配管Ｌ１，Ｌ２を示す図である。
配管Ｌ１，Ｌ２は、アルミニウム又は鉄鋼からなる鋳物部材であって、断面円環形に形成されてその内部にガス又は液体を流通させるものである。
配管Ｌ１，Ｌ２は、共にその一端に、シール面（表面Ｂｓ）が形成されたフランジを有している。そして、互いのシール面（表面Ｂｓ）を対向・密着させて、ボルト等の締結することで、ガス又は液体を封止している。

そして、上述したように、配管Ｌ１，Ｌ２の鋳肌面又はシール面（表面Ｂｓ）に欠陥Ｋが存在する場合には、図２又は図３に示した補修方法により欠陥Ｋを、組立（配管Ｌ１，Ｌ２の連結）の前に、補修しておく。
また、表層Ｂｔに欠陥Ｋが存在する場合には、図４に示した補修方法により、組立（配管Ｌ１，Ｌ２の連結）の前に、欠陥Ｋを補修しておく。

更に、図５に示すように、配管Ｌ１，Ｌ２を、シール面（表面Ｂｓ）を密着させた後に、このシール面の外周面（表面Ｂｓ）に対して、コールドスプレー装置１０から金属材料粉Ａを吹き付ける。
これにより、シール面（表面Ｂｓ）の外周が金属皮膜Ｒで覆われるので、シール面（表面Ｂｓ）の封止性能を更に向上させることができる。つまり、シール面（表面Ｂｓ）の間に形成される僅かな隙間を金属皮膜Ｒで覆い埋め尽くすことで、封止性能が向上する。
そして、その後に、ボルト等により配管Ｌ１，Ｌ２を強固に締結する。
なお、シール面（表面Ｂｓ）に、Ｏリング等のシール部材が配設されても、されなくてもよい。また、シール面の外周面（表面Ｂｓ）は、鋳肌面、加工面のいずれであってもよい。

［金属欠陥補修装置］
図６は、本発明の実施形態に係る金属欠陥補修装置５０の概略構成を示す模式図である。
金属欠陥補修装置５０は、筐体５１内に機械加工部５２とコールドスプレー装置１０とを備える。
機械加工部５２は、いわゆるマシニングセンタであって、エンドミル等の刃物５３を回転させてテーブル５４に固定してある被削物（基材Ｂ）を削る装置であり、刃物５３の回転軸（主軸）が鉛直方向に沿う立型となっている。
機械加工部５２から離間した位置には、コールドスプレー装置１０とコールドスプレー装置１０のスプレーガン１１を移動させる多関節型ロボット５５が配設される。
スプレーガン１１は、多関節型ロボット５５のハンド先端（エンドエフェクタ）に固定されており、その位置・姿勢を自由に制御可能となっている。また、スプレーガン１１の外周側には、スプレーガン１１から噴射した金属材料粉Ａの飛散を防止するフードカバー５６が配設されている。

また、金属欠陥補修装置５０には、基材Ｂ上に存在する欠陥Ｋを検出する撮像部５８が機械加工部５２の主軸の一端に配設される。撮像部５８は、例えば、ＣＣＤカメラであって、基材Ｂを撮像し、その画像から欠陥Ｋの位置が求められるようになっている。

このような構成を備える金属欠陥補修装置５０では、まず、基材Ｂをテーブル５４に固定する。そして、撮像部５８により基材Ｂの表面Ｂｓに存在する欠陥Ｋを撮像し、欠陥Ｋの位置を求める。
次に、求められた欠陥Ｋの位置情報に基づいて、機械加工部５２により基材Ｂを加工して、欠陥Ｋを取り除き、掘込部Ｈを形成する。

掘込部Ｈを形成したら刃物５３を退避し、その後に、多関節型ロボット５５を駆動して、スプレーガン１１を掘込部Ｈに対向させる。そして、スプレーガン１１から金属材料粉Ａを噴射して、掘込部Ｈを金属皮膜Ｒで埋め尽くす。
この際、フードカバー５６により、スプレーガン１１から噴射した金属材料粉Ａの飛散が防止されるので、金属材料粉Ａが刃物５３、主軸部又は多関節型ロボット５５に付着して、悪影響を及ぼすことを回避できる。なお、フードカバー５６内の空気を吸引する吸引装置を設けて、確実に金属材料粉Ａの飛散を防止することが望ましい。

このように、金属欠陥補修装置５０によれば、基材Ｂの表面Ｂｓに存在する欠陥Ｋを良好かつ効率的に補修することができる。つまり、基材Ｂをテーブル５４に固定したままで、掘込部Ｈの形成と金属皮膜Ｒの形成を連続して行うことができるので、短時間に欠陥Ｋの補修を行うことができる。

図７は、他の実施形態に係る金属欠陥補修装置６０の概略構成を示す模式図である。
金属欠陥補修装置６０では、コールドスプレー装置１０のスプレーガン１１が機械加工部５２から離間した位置に固定されている。そして、多関節型ロボット５５が基材Ｂを把持して、機械加工部５２とコールドスプレー装置１０との間を移動させるようになっている。
なお、機械加工部５２とコールドスプレー装置１０との間には、スプレーガン１１から噴射した金属材料粉Ａの飛散を防止する隔壁６２が立設されている。

金属欠陥補修装置６０では、まず、機械加工部５２により、欠陥Ｋの周辺を切削して掘込部Ｈを形成する。そして、多関節型ロボット５５により基材Ｂを把持・搬送して、基材Ｂの掘込部Ｈをスプレーガン１１に対向させる。
次いで、スプレーガン１１から金属材料粉Ａを噴射して、掘込部Ｈを金属皮膜Ｒで埋め尽くす。この際、隔壁６２によりスプレーガン１１から噴射した金属材料粉Ａの飛散が防止される。

このように、金属欠陥補修装置６０においても、基材Ｂの表面Ｂｓに存在する欠陥Ｋを良好かつ効率的に補修することができる。つまり、掘込部Ｈの形成と金属皮膜Ｒの形成を連続して行うことができる。

上述した実施の形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において各種条件や設計要求等に基づき種々変更可能である。

コールドスプレー装置の概略を示す模式図である。 本発明の第一実施形態に係る金属部材補修方法を工程順に説明する図である。 本発明の第二実施形態に係る金属部材補修方法を工程順に説明する図である。 本発明の第三実施形態に係る金属部材補修方法を工程順に説明する図である。 シール面を備える配管を示す図である。 本発明の第一実施形態に係る金属欠陥補修装置の概略構成を示す模式図である。 本発明の第二実施形態に係る金属欠陥補修装置の概略構成を示す模式図である。

符号の説明

１０…コールドスプレー装置（スプレー部）
１１Ｎ…ノズル
Ａ…金属材料粉
Ｒ…金属皮膜
Ｂ…基材（金属部材）
Ｂｓ…表面（流体封止部、流体封止面）
Ｂｔ…表層
Ｈ…掘込部
Ｋ…欠陥
Ｌ１，Ｌ２…配管
５０…金属欠陥補修装置
５２…機械加工部（金属加工部）
５５…多関節型ロボット
５６…フードカバー（飛散防止部）
５８…撮像部
６０…金属欠陥補修装置
６２…隔壁（飛散防止部）

Claims (10)

1. 金属部材に形成された流体封止部の封止性能を補完する方法であって、
   前記流体封止部に対して、金属材料粉をノズルから高速で噴射して堆積させることを特徴とする封止補完方法。
2. 前記金属部材は、鉄鋼又はアルミニウムからなる鋳物であることを特徴とする請求項１に記載の封止補完方法。
3. 表面又は表層に欠陥を有する金属部材を補修する方法であって、
   前記欠陥を含むように前記表面又は前記表層の一部又は全てを掘り込む第一工程と、
   前記掘込部に対して金属材料粉をノズルから高速で噴射して堆積させる第二工程と、
   を有することを特徴とする金属部材補修方法。
4. 前記掘込部に堆積した金属皮膜を加工して所定形状に形成する第三工程を有することを特徴とする請求項３に記載の金属部材補修方法。
5. 前記表面又は前記表層は、流体封止面を含むことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の金属部材補修方法。
6. 前記金属部材は、鉄鋼又はアルミニウムからなる鋳物であることを特徴とする請求項３から請求項５のうちいずれか一項に記載の金属部材補修方法。
7. 表面又は表層に欠陥を有する金属部材を補修する金属欠陥補修装置であって、
   前記欠陥を含むように前記表面又は前記表層の一部又は全てを掘り込む金属加工部と、
   前記掘込部に対して金属材料粉をノズルから高速で噴射して堆積させるスプレー部と、
   を有することを特徴とする金属欠陥補修装置。
8. 前記金属材料粉の前記金属加工部への飛散を防止する飛散防止部を備えることを特徴とする請求項７に記載の金属欠陥補修装置。
9. 前記飛散防止部は、前記ノズルの外周を覆うフードカバーであることを特徴とする請求項８に記載の金属欠陥補修装置。
10. 前記欠陥を検出する撮像部を備えることを特徴とする請求項７から請求項９のうちいずれか一項に記載の金属欠陥補修装置。

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