JP3957548B2 - 電気アーク溶射装置のためのカソード組立体 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カソード組立体に関し、より具体的には、より確実なカソードの固定を行い、熱伝達管理性能を向上し、カソード腐食を低減して、従来設計のカソードに対してカソードの寿命を向上させる様に、設計される、電気アーク溶射装置用カソード組立体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気アーク溶射装置は、金属、セラミック及び複合材などの表面に保護皮膜を塗布するために、種々の用途で用いられる。ある形式の電気アーク溶射装置は、カソード及び、カソードの回りに配置されガスを放出する絞りノズル、を含む。カソードは、高周波数及び／又は高電圧の発電機を用いて電源の負端子に接続されるのが一般的で、カソードとノズルとの間に電気アークを起こすのに用いられる。高速で噴射されたガスが、カソードとノズルとの間に形成された隙間に導かれる。ガスは、隙間を通って流れる時に電離され加熱され、そして、ノズル内の小さなオリフィスを通して放出される。オリフィスは、加熱したプラズマ・ガスを、供給原材の金属ワイヤーの先端に導く。プラズマ・アークは、金属ワイヤーに付き、つまり「伝わり」、それにより、ワイヤーを溶かす。高速噴射されたプラズマは、解けた金属を、微細な粉末に分散させる。この粉末は、被覆が望まれる面に導かれる噴流を形成する。電気アーク溶射装置は、例えば、ここに参照により完全に組み込まれる米国特許5,808,270号に記載されている。
【０００３】
電気アーク溶射装置で用いられるカソードは、タングステンなどの耐久性のある熱イオン放射材料から作られるのが普通である。カソードは、銅や黄銅などの別の材料で出来たカソード・ホルダー内に係合される。具体的には、従来の装置においては、カソードは、スエージング加工、プレス加工又はロウ付けを用いて、ホルダー内に保持されるのが、一般的である。動作中において、カソードは極めて高温になるまで加熱され、ホルダーがカソードからの熱の放出を助ける。長期の使用の後では、極端な高温故に、そしてカソード・ホルダーにより行われる熱の放散が限られるために、カソードが割れる可能性がある。更に、繰返される熱サイクル（つまり、熱膨張と収縮の繰返し）のために、係合させられたカソードが、カソード・ホルダーから外れる、つまり放出されることも、あり得る。これにより、プラズマ・ガンは、完全に故障する。この様な極端な状態は、カソードの腐食などの損傷を引き起こす可能性もある。結果として、この様な従来のカソードの寿命は、限られるのが一般的で、それらは、比較的頻繁に交換されなければならず、それにより、製造コストを高め、効率を低下させる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
それで、熱伝達管理、効率そして耐久性が向上しており、従来の構成に比してカソードの寿命を延ばすことになる、溶射ガン用カソード組立体が、必要とされている。
【０００５】
本発明は、熱伝達特性、電気接触性及び耐久性を向上させるために、カソードの直径及び長さを増大することが出来る、電気アーク溶射装置で使用されるカソード組立体を提供することを、第１の目的とする。
【０００６】
本発明は、従来のカソード組立体に比して、熱伝達管理が良好で、カソード腐食が少なくなる様な、確実な保持方法とカソード構造を、用いることを、第２の目的とする。
【０００７】
本発明は、カソードがカソード・ホルダーから外れるのを防止するカソード保持装置を設けることを、第３の目的とする。
【０００８】
本発明は、カソードが、比較的迅速かつ容易に交換されるのを可能とすることを、第４の目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の観点によれば、電気アーク装置で用いられる、カソード組立体が設けられる。このカソード組立体は、カソード保持用キャビティを持つカソード・ホルダー、上記カソード保持用キャビティ内に配置される第１の直径の第１部分と、第２の直径を持ち、第１部分から延びる第２部分と、肩部分と、を持つカソード、及び上記カソード・ホルダーに取外し自在に固定され、上記カソードの上記第２部分が貫通して延びる第１開口と、上記肩部分に係合する第１内面とを含み、上記カソードを上記キャビティ内に保持するのに有効な、保持部材、を有し、上記カソード保持用キャビティの底面と上記第１部分の底面とが接触し、上記カソード保持用キャビティの内周面と上記第１部分の外周面における軸方向のほぼ全域とが接触し、上記第１開口の内周面と上記第２部分の外周面における軸方向のほぼ全域とが接触している。
【００１０】
本発明の第２の観点によれば、カソードを電気アーク溶射装置に固定する方法が、提供される。この方法は、カソードを保持するキャビティを持つカソード・ホルダーを設ける工程、該カソード・ホルダーを電気アーク溶射装置に取付ける工程、上記カソードの肩部分を形成する工程、上記カソードの先端部分が上記キャビティから延びる様に、上記カソードを上記キャビティ内に係合する工程、第１開口を持つ略中空の保持部材を設ける工程、及び、上記カソードの先端部分が上記開口を貫通して延び、上記保持部材の第１面が上記肩部分に係合して、それにより、上記カソードを上記カソード・ホルダー内に保持する様に、上記保持部材を上記カソード・ホルダーへ取外し自在に固定する工程、を含む。
【００１１】
以上のものなどの本発明の課題、解決手段は、以下の説明及び図面から明らかとなろう。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１乃至３を参照すると、本発明の好ましい実施形態の内容に従い製作されるもので、不図示の電気アーク溶射ガンの使用に適応される、カソード組立体10が示されている。組立体10はまた、他の形式の溶射ガンや、プラズマ切断、切削及び溶接トーチなどのプラズマ応用分野で、用いることが出来る。
【００１３】
カソード組立体10は、カソード・ホルダー14内に配置又は保持されるカソード部材12及び、カソード・ホルダー14に選択的にネジ結合されるカソード保持ナット（キャップ若しくは部材）16を、含む。カソード組立体10は、一般的な態様で電気アーク溶射ガン内に結合される様に、されている。具体的には、カソード組立体10が、既知の一般的な態様で、電気アーク溶射ガンの一部に圧入され得る。
【００１４】
カソード12は、耐久性のある熱イオン放射材、本実施形態においては、タングステンにより作られる。カソード12は、略円筒形で、直径30を持つ第１幅広部分若しくはベース部分26及び、この部分26から延び、直径30よりも小さい直径32を持つ、幅の狭い先端部分28を含む。好ましい実施形態において、直径30及び32は、従来のカソードの直径よりもかなり大きい。限定するものではない実施形態において、直径30及び32は、約4.77 mm（3/16インチ）と約6.35 mm（1/4インチ）との間の範囲にある。カソード12は、カソード固定用隆起若しくは肩部33を含み、それは、好ましい実施形態においては、部分26と28の接続部において、カソード12と一体に形成される。代わりの他の実施形態においては、環状の隆起33が、異なる形状であっても、そして／又はカソード12の他の部分又は外面に形成されても良い。部分26の「底」部分は、テーパー状又はベベル状の縁34を含み、それは、カソードがキャビティ36内に容易に係合されるのを可能とする。
【００１５】
カソード・ホルダー14は、第１の略円筒状キャビティ又はチャンネル36を含み、それは、ホルダー14の「最上」部分38に形成され、カソード12を受ける。キャビティ36は、直径30とほぼ同じである直径40を持ち、それにより、部分26がキャビティ36内に強固に係合するのを可能とする。カソード・ホルダー14は、黄銅又は銅の様な放熱性材料から出来ているのが好ましく、そのような材料は、カソード12が発生する熱がカソード12から離れた位置にあるガンの他の部分へ放散するのを可能とする。ホルダー14の最上部分38は、保持部材若しくはナット16の内面に形成されたネジ山62に係合する様にされたネジ切り外面60を含む。
【００１６】
カソード・ホルダー14は更に、カソード・ホルダー14の「底」部分44に形成され、溶射ガンからプラズマ・ガスの高圧ジェットを選択的に受ける、第２の略円筒状キャビティ又はチャンネル42を含む。いくつかの実質的に同一の楕円形開口22が、底部分44を貫通して形成され、キャビティ42の端部と流体連通する。開口22は、受けたプラズマ・ガスが、絞りノズル（不図示）から放出される高密度の乱流内に放出されるのを可能とする。底部分44の外面は、環状のリセス46を含む。カソード組立体10が電気アーク溶射ガン内に取付けられると、底部分44を、ガンの一部に圧入することが出来、そしてOリング（不図示）がリセス46内に配置され、それにより、カソード・ホルダー14とガンとの間のシールを形成する。
【００１７】
カソード保持ナット又は部材16は、一般的に円筒状で中空である。部材16は、熱膨張率が比較的小さい伝熱性材料から出来ている。限定するものではない実施形態においては、材料16は鋼製である。部材16は、内面64に形成され、ネジ切り外面60に係合する、ネジ山62を含み、それにより、部材16がカソード・ホルダー14の最上部分38に強固に固定されるのを可能とする。限定するものではない実施形態の一つにおいては、部材16の外面66が六角形であり、それにより、一般的なレンチを使用して、部材16がカソード・ホルダーに固定され、そして取外されるのを可能とする。他の代替実施形態においては、外面66は、適切な工具又は機器を用いて、ナットが容易にホルダー14から取外され、そして取付けられるのを可能とする、他の形状又は構成を持つことが出来る。他の実施形態においては、ネジ山60及び62を、部材16がカソード・ホルダー14に取外し自在に取付けられるのを可能とする他の取付け構造又は機器で代えることが出来る。保持部材16は更に、略円形の上部チャンネル又は開口68を含む。開口68は、カソード12の先端28の直径32と実質的に同一の直径70を持つ。この様にして、部材16がカソード・ホルダー14に取付けられると、先端28が、開口68を貫通して延び、先端28の環状の外面が開口68を規定する表面72へ接触する。更に、部材16がホルダー14に取付けられると、図３において最も良く示される様に、部材16の「上部」内面65が肩部33に係合し、それによりカソード12がカソード・ホルダー14から飛出すのを防止する。別の実施形態においては、カソード12及び／又は保持用隆起若しくは肩部33が、別の形状又は構成であっても良いことが判るはずである。
【００１８】
動作中において、カソード12がキャビティ36に係合し、保持部材16がカソード・ホルダー14に強固にネジ込まれる。溶射ガンの動作中に、カソード12において生成された非常に多量の熱は、ホルダー14を通して、そして保持部材16を通して、カソード12から効率的に放散される。熱は、いくつかの面を介して、カソード12から放散される。具体的には、熱は、接続部76においてカソード12の肩部33から部材16の表面65へ、接続部74においてカソードの先端部28の外面から部材16の内面72へ、接続部78においてカソードの部分26の外面からカソード・ホルダー14へ、そして、接続部80においてカソードの部分26の底面からカソード・ホルダー14へ、放散する。
【００１９】
部材16とカソード・ホルダー14は、異なる材料で出来ていて、部材16の材料は、ホルダー14よりも、熱膨張係数が小さいので、部材16が、熱サイクルが繰返された後で、緩むことがない。更に、部材16の肩部33と表面65との間の係合が、カソード12がホルダー14から飛出すのを実質的に防止する確実な保持機構を提供する。重要なことは、保持部材とホルダー14のネジ係合は、カソード12が比較的容易かつ迅速に交換されるのを可能とすることである。カソード組立体10は更に、従来の構造と比較して、より大きな接触面を設けており、そこを通してカソード12からの熱が容易に放散され得る。つまり、カソード保持部材16は、熱がカソード12から取除かれるときに通る、２つの放熱用接続部74, 76を持っている。この様な構成はまた、カソード12の直径、長さそして大きさが所望のところまで大きくされるのを許容する。それにより、カソード組立体10の熱管理特性を向上し、カソード12の寿命を延ばすことが出来る。例えば、そして限定するものではないが、保持部材14は、カソードの先端28がカソード・ホルダー14の外にかなりの距離延びるのを可能として、カソード12からの熱が放散される２つの面を追加する。カソードの寿命が延び、カソード12の交換を迅速に行うことが出来るので、カソード組立体10はまた、生産時間を短縮し、生産効率を高めることになる。
【００２０】
本発明は、上述の構造及び／又は方法そのものに限定されるべきではなく、本発明の思想及び範囲から逸脱することなしに、種々の変更及び／又は改良がなされ得ることが理解されるはずである。
【００２１】
【発明の効果】
以上述べた様に、本発明のカソード組立体は、熱伝達管理、効率そして耐久性を向上させ、従来の構成に比してカソードの寿命を延ばすことになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好ましい実施の形態の内容に従い製作されるカソード組立体の斜視図である。
【図２】図１に示されたカソード組立体の一部破断斜視図である。
【図３】図１に示されたカソード組立体の組立断面図である。
【符号の説明】
10 カソード組立体
12 カソード
14 カソード・ホルダー
16 保持部材
26 第１部分
28 第２部分
30 第１直径
32 第２直径
33 肩部分
36 キャビティ
65 第１内面
68 第１開口

Claims (2)

1. カソード保持用キャビティを持つカソード・ホルダー、
   上記カソード保持用キャビティ内に配置される第１の直径の第１部分と、第２の直径を持ち、第１部分から延びる第２部分と、肩部分と、を持つカソード、及び
   上記カソード・ホルダーに取外し自在に固定され、上記カソードの上記第２部分が貫通して延びる第１開口と、上記肩部分に係合する第１内面とを含み、上記カソードを上記キャビティ内に保持するのに有効な、保持部材、を有し、
   上記カソード保持用キャビティの底面と上記第１部分の底面とが接触し、
   上記カソード保持用キャビティの内周面と上記第１部分の外周面における軸方向のほぼ全域とが接触し、
   上記第１開口の内周面と上記第２部分の外周面における軸方向のほぼ全域とが接触している
   電気アーク装置で用いられる、カソード組立体。
2. 上記保持部材の材料の熱膨張係数が、上記カソード・ホルダーの材料よりも小さい請求項１のカソード組立体。

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