JP2016098388A - 溶射粉末の流路の撮影方法及び溶射フレーム中への溶射粉末投入位置の調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶射フレーム中の溶射粉末流路を正確に捉えることができる撮影方法を確立し、その撮像から溶射フレーム中への溶射粉末投入位置を正確に調整する方法を提供する。【解決手段】溶射フレーム２中に粉末供給管３から供給された溶射粉末４の未溶融部６の流路を、溶射ガンの近傍に配置された撮像装置７で撮影し、撮像装置７として被写界深度が５ｍｍ以下のものを用いることによって、溶射粉末４の未溶融部６の流路のみ合焦するため、鮮明な画像が得られ、その画像を利用して溶射粉末の流路が溶射フレーム２の中心に位置するように、粉末供給管３の位置を調整する溶射フレーム２中への溶射粉末投入位置の調整方法。【選択図】図１

Description

本発明は、溶射粉末の流路の撮影方法及び溶射フレーム中への溶射粉末投入位置の調整方法に関するものである。

溶射粉末を粉末供給管から高温の溶射フレーム中に供給して溶射ジェットを形成し、溶射ジェットを溶射対象物の表面に吹き付けて溶射膜を形成する溶射装置においては、溶射膜の品質を確保するために、粉末供給管から供給された溶射粉末の流路を、溶射フレームの中心に正しく位置させることが望まれる。しかし溶射フレームはガス流量だけでなくノズルの劣化や汚れによってもその形状が変化する。またその中を通過する溶射粉末の流路も粉末吐出量や噴出速度によって変化する。このため溶射条件が変更された場合はもちろん、溶射条件が変更されない場合であっても粉末供給管の位置を定期的に調整する作業が必要である。

溶射の品質を向上させるために、特許文献１、特許文献２には、溶射ジェットの形状、溶射対象に対する溶射ジェットの位置、溶射痕の何れかを、サーモグラフィーカメラ等を用いて監視し、コントローラーによって溶射フレームの位置を自動補正する技術が記載されている。これらは溶射ジェットや溶射痕などを観察し、その観察結果に基づいて補正を行なっている。このため溶射の状態判別のタイミングが遅くなってしまい、補正が行われるまでに溶射品質の低下量が多くなってしまうという問題があった。

また、溶射ジェットの形状、溶射対象に対する溶射ジェットの位置、溶射痕などが溶射膜の品質にどのように影響するかを評価することは容易ではない。溶射膜の品質評価は、主に溶射膜の強度や膜厚を測定することによって行われるため、溶射条件へのフィードバックには時間がかかるという問題があった。さらに、溶射ジェットの形状は安定性がなく、その位置を判別するためには高度な演算装置が必要となり、コストがかかるという問題もあった。

さらに溶射ガンと溶射対象物の距離が近い場合には、溶射ジェットの形状や溶射ジェットの位置を観察できる距離を確保することができず、離れた位置からの観察を行わねばならない。このため離れた位置での溶射ジェットの状態を元に実際の溶射距離における状態を推測するしかなく、観察精度の問題もあった。

そこで本発明者は、溶射フレーム中に粉末供給管から供給された溶射粉末の未溶融部の流路を直接目視し、粉末供給管を溶射フレームの中心に正しく位置させることを試みたが、溶射フレームは輝度が約11000Cd/m²と高く、溶接用マスクを通して観察しても眩しいために正確な観察が困難であった。また溶射フレームは約1500℃の高温であるために接近すると火傷のおそれがあり、また紫外線被曝や、難聴になる危険性もあった。

さらに本発明者は、ＣＣＤカメラ、溶接用カメラなどの撮像装置を用いて溶射フレーム中の溶射粉末流路を撮影することも試みたが、図２に示すように全体が火の玉状の光った画像となってしまい、その内部の溶射粉末流路の位置を特定することはできなかった。

特許第５４９６９９２号公報 特開２０１３−２５６７１５号公報

従って本発明の目的は上記した従来の問題点を解決し、溶射フレーム中の溶射粉末流路を正確に捉えることができる溶射粉末の流路の撮影方法と、この撮影方法を利用して溶射粉末の流路を最適位置に調整できる溶射フレーム中への溶射粉末投入位置の調整方法を提供することである。

上記の課題を解決するためになされた本発明の溶射粉末の流路の撮影方法は、溶射フレーム中に粉末供給管から供給された溶射粉末の未溶融部の流路を、溶射ガンの近傍に配置された被写界深度が５ｍｍ以下の撮像装置で撮影することを特徴とするものである。

なお請求項２のように、被写界深度が１〜３ｍｍの撮像装置を用いることが好ましい。好ましい実施形態においては、溶射フレームがプラズマフレームであり、溶射粉末が金属粉である。また減光フィルタを備えた撮像装置を用いることができる。

また上記の課題を解決するためになされた本発明の溶射フレーム中への溶射粉末投入位置の調整方法は、前記の方法により撮影された溶射粉末の流路が溶射フレームの中心に位置するように、粉末供給管の位置を調整することを特徴とするものである。

本発明では、被写界深度が５ｍｍ以下の撮像装置を用いて溶射フレーム中に粉末供給管から供給された溶射粉末の未溶融部の流路を撮影することにより、撮像装置の焦点をピンポイントで溶射粉末の未溶融部の流路に合せることができる。このため、輝度が高い溶射フレーム中における溶射粉末の流路を、黒ずんだ画像として鮮明に捉えることができる。従ってその画像を見ながら、溶射フレーム中への溶射粉末投入位置を容易に調整することができる。減光フィルタを備えた撮像装置を用いれば、溶射フレームや溶射ジェットからの余分な入射光を低減し、より鮮明な画像を得ることができるとともに、撮像装置を輻射熱から保護することができる。

また本発明によれば、撮像装置のみを溶射ガンの近傍に設置すればよいので、火傷や紫外線被曝のおそれもない。

また、溶射フレーム中の溶射粉末の流路は、溶射ジェットに比較して形状が安定しているために正確な位置判断が行いやすく、溶射品質の向上に直結させることができる。さらに溶射フレーム中の溶射粉末の流路の観察は溶射ジェット位置や溶射痕位置に較べて上流にあるため、より速いタイミングで補正を掛けることができ、溶射品質の低下量を少なくすることができる。

本発明の実施形態を示す側面図である。 従来のカメラを用いて撮影した溶射フレームの画像である。 本発明の撮像装置による溶射フレームの画像である。 溶射フレームの各種の画像である。

以下に本発明の好ましい実施形態を説明する。
図１は本発明の実施形態を示す側面図であり、１は溶射ガン、２は溶射ガン１から吐出される溶射フレーム、３は溶射フレーム２中に溶射粉末４を供給する粉末供給管、５は溶射ジェットである。

溶射ガン１の代表的なものはプラズマトーチであり、温度が1500℃以上の溶射フレーム２を形成する。溶射粉末４は通常は金属粉であり、粉末供給管３の下端から溶射フレーム２内に投入される。投入された溶射粉末４は瞬時に溶融して溶射ジェット５を形成し、溶射対象物の表面に溶射膜を形成する。しかし投入直後は温度が低い未溶融部６が存在する。本発明ではこの未溶融部６を撮像装置７の画像としてとらえ、粉末供給管３の位置を調整して溶射粉末４の流路を溶射フレーム２の中心に正しく位置させる。これにより、溶射フレーム２中への溶射粉末投入位置を調整することができる。

このような用途に用いられる撮像装置にはＣＣＤカメラ、溶接用カメラなどがあるが、より鮮明な画像を得ることができるように、被写界深度が深い撮像装置が高級とされている。被写界深度とはピントが合う遠点と近点との間の距離をいい、下記の数１の式に示されるようにＴ１とＴ２の差である。被写界深度は、主として撮像装置のレンズ性能と被写体までの距離によって決定される。

下記の表１に、複数メーカーから市販されているＣＣＤカメラ及び溶接用カメラの被写界深度を示した。このように通常の工業用カメラは被写界深度が１３〜１１７ｍｍとなっている。このようなカメラを撮像装置として用いて溶射フレーム２を撮影すると、各種の減光フィルタを取付けても、図２に示されるような画像しか得られない。これは溶射粉末４の未溶融部６の幅が５ｍｍ以下であるにも拘わらず、被写界深度が深いため、未溶融部６の前後の高温で高輝度の部分を同時に画像として取り込んでしまうためである。一方、発明者の計算によれば人の目の被写界深度は最小で４ｍｍ程度であるから、凝視すれば溶射粉末４の流路が見えないこともないが、前記したように肉眼による観察には様々な困難がある。

これに対して本発明では、レンズを交換して被写界深度を５ｍｍ以下とした撮像装置７によって、溶射フレーム２中の溶射粉末４の未溶融部６の流路を撮影する。このような被写界深度が極端に浅いレンズを備えた撮像装置７を用いれば、温度が低い溶射粉末４の未溶融部６を、図３に示すように黒ずんだ画像として鮮明に撮影することができる。被写界深度が５ｍｍを超えると、未溶融部６の周囲の高温で高輝度の部分も画像中に取り込んでしまうため、画像の鮮明さが低下する。撮像装置７の被写界深度は１〜３ｍｍとすることがより好ましいが、１ｍｍ未満とすると焦点を溶射粉末４の未溶融部６に合せる作業が難しくなるため、１〜５ｍｍが実用的である。

図４に被写界深度を２ｍｍとした撮像装置７で撮影した画像を示す。図４の上段は、溶射粉末４の未溶融部６が溶射フレーム２の中心よりもやや上側にある様子を示している。また下段は、溶射粉末４の未溶融部６が溶射フレーム２の中心よりもやや下側にある様子を示している。これらの画像は図１に示すモニタ８に表示されるので、中段に示す正しい位置に来るように粉末供給管３の位置を調整する。この調整作業は画像を見ながら人手によって容易に行うことができる。しかし画像処理装置とコントローラを設けて、粉末供給管３の位置調整作業を自動的に行わせることも可能である。

なお、図４の画像は溶射フレーム２を真上から見下ろすように撮影した画像であり、これに基づいて粉末供給管３の左右位置の調整を行なうことができる。このほか、溶射フレーム２を真横から撮影した画像を用い、粉末供給管３の上下位置の調整も行なうことによって、溶射粉末４の未溶融部６の流路が溶射フレーム２の中心となるように調節することができる。本発明による溶射フレーム中への溶射粉末投入位置の調整は適宜のタイミングで行えばよく、例えば溶射作業の開始時に行ったり、溶射作業中に定期的に行ったりすることができる。

撮像装置７には減光フィルタを取付けて入射光を制御することが好ましいが、撮像装置７の露光時間を調整することによって明るさを調整してもよい。また減光フィルタと露光時間の双方を調整することももちろん可能である。

以上に説明したように、本発明によれば安全に、溶射フレーム２中の溶射粉末４の未溶融部６の流路を撮影し、鮮明な画像として捉えることができる。このため粉末供給管３の位置を画像に基づいて迅速に微調整し、最適な溶射を行わせることができる。本発明では特許文献１，２に記載されたような高価な設備は不要であり、被写界深度を５ｍｍ以下とした撮像装置７とモニタ８があれば容易に実施可能である。また不安定な溶射ジェット５ではなく、溶射粉末４の未溶融部６の流路を撮影するため、正確な判断が可能であり、迅速な調整が可能なことと相俟って、溶射品質の低下を効果的に防止することができる。

１ 溶射ガン
２ 溶射フレーム
３ 粉末供給管
４ 溶射粉末
５ 溶射ジェット
６ 未溶融部
７ 撮像装置
８ モニタ

Claims (5)

1. 溶射フレーム中に粉末供給管から供給された溶射粉末の未溶融部の流路を、溶射ガンの近傍に配置された被写界深度が５ｍｍ以下の撮像装置で撮影することを特徴とする溶射粉末の流路の撮影方法。
2. 被写界深度が１〜３ｍｍの撮像装置を用いることを特徴とする請求項１記載の溶射粉末の流路の撮影方法。
3. 溶射フレームがプラズマフレームであり、溶射粉末が金属粉であることを特徴とする溶射粉末の流路の撮影方法。
4. 減光フィルタを備えた撮像装置を用いることを特徴とする請求項１記載の溶射粉末の流路の撮影方法。
5. 請求項１〜４の何れかに記載の方法により撮影された溶射粉末の流路が、溶射フレームの中心に位置するように、粉末供給管の位置を調整することを特徴とする溶射フレーム中への溶射粉末投入位置の調整方法。