JP4389195B2

JP4389195B2 - 溶射システムおよび溶射方法

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Publication number: JP4389195B2
Application number: JP2003025250A
Authority: JP
Inventors: シュッテカルステン
Original assignee: エムテーウーエアロエンジンズゲーエムベーハー
Priority date: 2002-01-31
Filing date: 2003-01-31
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2023-01-31
Also published as: US6841005B2; DE50302694D1; JP2004002966A; US20030143318A1; ATE320857T1; EP1332799B1; DE10203884A1; EP1332799A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶射システムおよび溶射方法に係り、より詳しくは、溶射プロセスにおいて溶射層の品質管理を行なうことで高品質の溶射層が得られる表面コーティングを施すための溶射システム、および溶射方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＤＩＮ８５８０によれば、溶射は基本パターン方法、ならびにコーティング方法に属している。ＥＮ６５７によれば、これには、溶射添加材料が溶射器具の内側または外側で融解、溶融、または溶解され、材料の表面上に射出されるあらゆる方法が含まれる。その際に表面は融解されない。溶射方法の基本的な利点には、コーティングされる材料（基体）が熱によって変化せず、どのような大きさおよび形状の部品にもコーティングでき、この方法が自動化し易く、フレキシブルであり、かつ、溶射添加材料の材料特性を適切に組合せることによってそれぞれの要請の概要に適する溶射層を生成できることが挙げられる。
【０００３】
「溶射」という概念には様々な溶射方法が包括される。これらはＥＮ６５７に基づいて溶射添加材料、仕上げ、またはエネルギ媒体の種類で区分される。どの溶射方法も溶射層を生成するために２種類のエネルギ、すなわち熱エネルギと運動エネルギとを利用する。これらのエネルギ媒体は燃焼ガス−酸素火炎、アーク、プラズマ放射、またはレーザー放射である。溶射添加材料を融解、または溶融するには熱エネルギが必要である。粒子速度と結合された運動エネルギは層の厚み、溶射層自体の粘着性、および基体材料に対する層の粘着性に影響を及ぼす。運動エネルギは、使用する溶射方法に依存して非常に大きく変化し、また溶射材料および溶射添加材料の粒径にも依存する。
【０００４】
ＥＮ６５７によれば、溶射の既知のバリエーションとして、火炎溶射方法（溶接式または溶棒式の火炎溶射（Ｗｉｒｅｏｒｒｏｄｆｌａｍｅｓｐｒａｙｉｎｇ）、粉末火炎溶射、プラスチック火炎溶射、高速火炎溶射、起爆溶射（火炎衝撃溶射））、プラズマ噴射、アーク噴射、およびレーザー噴射が知られている。その他、特殊な方法としてドイツ特許明細書第１９７４７３８６Ａ１号および欧州特許明細書第０４８４５３３Ｂ１号に詳細に記載されているいわゆる冷ガス溶射が挙げられる。
【０００５】
溶射の利用分野および用途は極めて多様であり、家庭用品および台所用品の装飾層から、自動車工学の非常走行防止層（Ｅｍｅｒｇｅｎｃｙｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅｌａｙｅｒ）／磨耗防止層や、航空工学および宇宙工学における高温防止層にまで至る。さらに、特殊な用例および利用範囲のために特殊な有利な実施形態および補助装置が開発されている。
【０００６】
溶射方法が多様であり、また施された溶射層の均一な品質を確保する必要性から、ＥＮ１３５９は品質保証、および溶射装置の承認（Ｃｈｅｃｋｅｄ）／試験のための関連する統一基準を記載し、かつ規制している。図６にはＥＮ１３９５に基づく溶射装置１が示されている。溶射装置制御部２では通常は内部の設定モジュール９を用いて、監視すべきパラメータの単数または複数の目標値の設定が行われる。設定モジュール９によって得られた目標値は以下ではＳ１_１，Ｓ１_２，・・・，Ｓ１_ｎと称し、このときｎ＝１，２，・・・は、監視すべきパラメータの数を示している。一般に、溶射パラメータを長期間にわたって一定に、所定の目標値の約±５％の許容差範囲内に保つ努力がなされている。エネルギ媒体（例えば電気エネルギ／または燃焼ガス）、溶射添加材料（例えば金属、セラミック、またはプラスチック）およびガス（例えば搬送ガス、噴射ガス、および／または燃料ガス（Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎｇａｓ））はタンク３から適宜の供給管８および調整ユニット４を経て溶射ガン５に送られる。設定モジュール９によって調整ユニット４に提供された目標値によって、少なくともＥＮ１３９５に記載されている個々の溶射パラメータの許容差の値を監視することができる。溶射噴霧（Ｓｐｒａｙｊｅｔ）７は溶射ガン５内に組込まれている溶射ノズル６を経て噴射され、部品のコーティングに利用される。ＥＮ１３５９で規制されている溶射装置の承認試験自体は、溶射装置に義務づけられている最低条件を示しているに過ぎない。しかし、技術的、経済的に最適な溶射プロセス（溶射方法および溶射装置）の目的は、層の品質に加えて、最小限の不良品と材料使用で、溶射装置の効率／仕上げ能力を同時に高めつつ、できるだけ高い再現性を提供することでなければならない。
【０００７】
従来は、溶射の際の影響パラメータの検出、制御、および／または監視はＥＮ１３５９に記載されている許容差限度に基づいて行われていた。これは層の再現性と品質を保証するものである必要がある。その際に選択された重要な処理パラメータが測定、調整され、場合によっては記録もされる。重要な処理パラメータとは例えばガスの流れ（搬送ガス、および／または場合によっては燃焼ガス）、電流強度、噴射距離、噴射角（溶射噴霧と基体表面とがなす角度）、基体表面に対する溶射噴霧の相対速度、添加材料の装填、噴射粉末の量、あるいはワイヤ送り速度等である。下記の表１はプラズマ噴射時の主要な影響パラメータを例示的に示しており、ＥＮ１３９５に基づく許容差値を有する、産業上適しており再現性のある規制の複雑性、ならびにそこから生ずる不利点を明示している。
【０００８】
【表１】
【０００９】
ドイツ特許明細書１９８２０１９５Ａ１号は、ガスまたは混合ガスを利用して、場合によって融解または溶解された添加材料をコーティングされる基体表面に送る形式の、基体の表面に溶射層を施す方法を開示している。更に、溶射方法を利用して溶射層を施すための関連装置も記載されており、この装置は添加材料とガスまたは混合ガスとを給送する手段を含んでいる。ドイツ特許明細書第１９８２０１９５Ａ１号によると、ディジタル・カメラを使用して、溶射層の品質に影響を及ぼす溶射プロセスの特徴の少なくとも１つが検出、制御、および／または監視される。その場合、ディジタル・カメラとしてディジタル写真用カメラ（Ｐｉｃｔｕｒｅｃａｍｅｒａ）だけではなくディジタル・ビデオカメラも使用される。ドイツ特許明細書第１９８２０１９５Ａ１号に記載されている方法は、いわゆる粒子束撮像（ＰＦＩ）方法である。これによってディジタル高速度カメラを利用してのプラズマ噴射工程の現場診断が可能である。その場合、溶射噴霧中の粒子部分とガス部分との随意の分離が行われ、その後でディジタル画像処理が行われる。必要とされる高い調整費用と可動機械部品のために、この方法は産業上の用途には適さない。
【００１０】
更に、先行技術から、粒子とガスの温度の測定が可能なスペクトル発光分析の方法が既知である。この場合、少なくとも放射される中性線（Ｅｍｉｔｔｉｎｇｎｅｕｔｒａｌｐａｒｔｉｃｌｅｓ）を生成するには温度が充分に高くなければならない。火炎中には局部的な熱均衡を伴う領域だけではなく不均衡な領域も生ずるので、特に周縁領域では温度勾配が高いことによりエラーを生ずることがある。火炎が側方から観察されることにより、記録されるスペクトル線強度を表にすることが必要であることが、この方法の制約になっている。時間平均された測定から生じるスペクトル強度は、関係が線形ではないので、温度値に直接変換することができない。その上、温度の定量的な検出には高い投資コストと、産業上の用途には不適当な調整、保守、および機械部品の経費を伴う測定器が必要である。しかし、溶射プロセスの推移を少なくとも定性的に表示するには、特徴的なスペクトル線強度の時間分解による記録を利用することができる。更に、検出されたスペクトル線強度と体系的に変化するパラメータとの定量的な関係を示すことができる。この方法は、「溶射時のプロセス監視および最適化のために分光光度測定システムを使用した場合の実際の経験」オーミュラー．Ｂ、Ａ．ラング、Ｋ．シュッテ共著、１９９９年度ＵＴＳＣ会報、デュッセルドルフ、ＤＶＳ報告（１９９９年）７４７−７４９ページ、
に詳細に記載されており、その内容は本出願で参照されている。この方法とシステムは、プロセス分析および／または監視に適しているに過ぎない。溶射プロセスのオンライン・プロセス調整は不可能である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、少ない材料使用量で、高品質の溶射層が得られ、不良品の発生が少なく、再現性の高い溶射プロセスと溶射方法を提供することである。その際に、溶射プロセス進行中に施される溶射層の品質管理が可能でなければならない。更に、少なくともエネルギ媒体の供給の変化、および溶射添加材料の給送状態の変化の監視が保証される必要がある。本発明による解決方法は粒子特性の重要な変化に確実に反応し、産業上の過酷な環境においても使用可能でなければならない。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、溶射パラメータの目標値Ｓ１を設定する目標値設定モジュールが組み込まれた溶射装置制御部、パメラータを測定する調整ユニット、エネルギ媒体タンク、溶射添加材料タンクおよび溶射ノズルを含む溶射装置と、コーティングの品質に影響を及ぼす少なくとも１つのパラメータを検出するための光学センサと、入力側が前記光学センサに接続され、出力側が前記調整ユニットに接続されている分光装置と、を備え、前記分光装置は、前記光学センサからの光信号を電気信号へと変換する分光光度計モジュールと、前記分光光度計モジュールで電気信号に変換されたアナログ信号の増幅と、ディジタル信号への変換を行うＡＤＣモジュールと、記録された発光スペクトルの時間分解による解析と、４つの線強度を検出し、積分線強度および全体積分を行なう測定値検出および評価モジュールと、新規の目標値Ｓ２ _１〜Ｓ２ _ｎを作成する調整および制御モジュールと、溶射装置の溶射装置制御部に設けられた目標値設定モジュールに接続されるインタフェースモジュールと、データベースモジュールと、を含み、前記調整および制御モジュールは、前記目標値設定モジュールによって作成された目標値Ｓ１ _ｎから新規の目標値Ｓ２ _ｎを決定するため、１秒未満の時間間隔での線強度の差の絶対値、ならびに線強度積分の差の絶対値を算定し、並行して、時間によって変化する線強度の差の絶対値と強度積分の差の絶対値が算定され、前記各絶対値は先行値と比較してブール変数を設置し論理演算により決定され、前記インタフェースモジュールを介して、前記調整および制御モジュールの結果および決定に応じて、目標値Ｓ１ _１〜Ｓ１ _ｎのフィードバック、または前記分光装置の前記調整および制御モジュールで新規に作成された目標値Ｓ２ _１〜Ｓ２ _ｎが新規の目標値Ｓ３ _１〜Ｓ３ _ｎとして溶射装置１の前記目標値設定モジュールに伝送される手段を有することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、基体の表面にコーティングを施すための溶射方法であって、コーティングされる前記基体表面にガスを使用して添加材料を噴射するステップと、光学センサを用いて溶射噴霧の発光を検出するステップと、前記光学センサによって検出された発光計測値を分光装置でスペクトル分析するステップと、該スペクトル分析の結果に基づいて、コーティング層の品質に影響を及ぼす少なくとも１つのパラメータを判定するステップと、実値と目標値とを比較するステップと、
溶射パラメータを調整するステップと、を含み、前記スペクトル分析するステップは、前記目標値設定モジュールによって作成された目標値Ｓ１ _ｎと新規に算定された目標値Ｓ２ _ｎから溶射装置制御部に転送する目標値を決定するために１秒未満の時間間隔での線強度の差の絶対値、ならびに線強度積分の差の絶対値を算定するとともに、これと並行して、時間によって変化する線強度の差の絶対値と強度積分の差の絶対値を算定し、前記各絶対値を先行値と比較してブール変数を設置し論理演算により前記インターフェースモジュールへの転送目標値を決定し、前記インタフェース・モジュールを介して、前記調整および制御モジュールの結果および決定に応じて、目標値Ｓ１のフィードバック、または前記分光装置の前記調整および制御モジュールで新規に作成された目標値Ｓ２が新規の目標値Ｓ３として溶射装置１に伝送されることを特徴とする。
【００１４】
前記新規の目標値Ｓ３は、溶射添加材料を自動的に認識する段階、自動的な測定値検出、測定値処理、制御および調整信号の計算、データの可視化、ならびにデータの長期保存を行なうプロセス監視およびプロセス制御段階、により検出、評価、計算され、前記プロセス監視およびプロセス制御段階は、記録された発光スペクトルの時間分解による解析と、プロセスの進行を特徴付ける４つの線強度算定と、関連する積分線強度およびスペクトルの全体積分の計算を行なう測定値検出および評価段階、対応する目標値の転送を決定するための対応するブール変数の生成と組合わせて、線強度と線強度積分との差の絶対値、ならびにレジスタ内の先行値に対する関連する偏差のパーセンテージの時間に依存した計算および内部の新規目標値設定計算とインタフェースへの転送を行う調整および制御段階、
および、目標値修正のための新規の目標値を溶射装置制御部に転送し、また時間分解により算定されたデータをデータ表示し、データ長期保存段階に転送する段階を含むことを特徴とする。
【００１５】
溶射噴霧で生ずる発光の検出およびスペクトル分析は可視領域、好適には３５０ｎｍ〜８５０ｎｍの範囲内で行われることを特徴とする。
【００１６】
溶射噴霧で生ずる発光の検出およびスペクトル分析は紫外線スペクトル領域、好適には２００ｎｍ〜３５０ｎｍの領域で、または赤外線スペクトル領域、好適には８５０ｎｍ〜８μｍの領域で行われることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明によって先行技術の欠点が克服され、特に、層の高い品質の他に、僅かな不良品と材料使用量で溶射工程の高い再現性が得られる改良された方法および改良された装置が使用される。その際、溶射プロセス進行中に、施される溶射層の品質管理が可能である。更に、エネルギ媒体の供給の変化、および溶射添加材料の給送の変化を監視することが可能である。本発明による解決方法は粒子特性の重要な変化に確実に反応することができ、また産業上の過酷な環境においても使用可能である。
本発明の方法に関しては、光学式の分光装置を使用して、溶射層の品質に影響を及ぼす溶射プロセスの特徴の少なくとも１つが検出され、監視され、かつ／または溶射プロセスがオンラインで調整されることによって達成される。溶射装置には対応して、溶射層の品質に影響を及ぼす溶射プロセスの特徴の少なくとも１つを検出し、制御し、監視し、かつ／または調整するための光学式の分光装置が備えられている。
【００１８】
溶射層の品質に影響を及ぼす溶射プロセスの特徴は、溶射方法の専門家および／またはユーザにはよく知られている。この特徴とは、溶射プロセス自体のパラメータ、および／または単数または複数のパラメータに対応する数値、および／またはそこから誘導される数値、および／またはその相対比率であってよい。その例には下記のようなものがある。
・火炎噴射の場合は燃焼ガス−酸素火炎に、またはプラズマ噴射の場合はプラズマに溶射添加材料を給送すること。
・溶射噴霧の特性（強度分布、全体強度、幾何学的な形状、サイズ等）
溶射層の品質に影響を及ぼす溶射プロセスの特徴を検知し、制御し、監視し、かつ／または調整することによって本発明に基づいて構成された診断によって、機械部品、および技術的、経済的な経費の観点から簡単で、しかも極めて効率的で、かつフレキシブルな溶射の品質管理がもたらされる。
例えば、様々な溶射方法が同時に利用され、かつ、溶射用途が頻繁に変更され、かつ／または異なる溶射添加材料が使用される溶射を利用する、産業用または研究用の装置では、本発明に基づいて構成された溶射装置によって、記録されている単数または複数の基準（例えば全体強度積分の目標値、および／またはエネルギ媒体および／または溶射添加材料の特徴的な線強度の目標値）を介した、定性的な特徴、もしくは溶射プロセスのパラメータおよび／または数値、および／またはその相対比率の評価によって、極めて迅速かつ効率的に、また長期間にわたって溶射層の再現性と品質が保証される。それによって、施された全ての溶射層は均一の規定された品質を備える。
【００１９】
その上、比較的長時間の後にも、ユーザが確定した装置および機械パラメータを新規に使用する際に、記録された基準を比較することによって、匹敵する品質の溶射層を再現性をもって施すことが可能である。更に、溶射層の長期にわたる品質保証の他に、定性的な特徴、もしくは溶射プロセスのパラメータおよび／または数値、および／またはその相対比率を、本発明に基づいて構成した診断によって評価することによって、目的とする溶射プロセスのオンライン調整が保証され、それによって更に、プロセス中に短期間でも発生する影響パラメータ（例えば粉末搬送速度）の変動を、確定された基準的な特徴（例えばエネルギ媒体および／または溶射添加材料の特徴的な線強度の目標値）の時間分解による検出によって、既に溶射工程中から除去することができる。それによって更に、一方では短い時間間隔で繰り返し実行される多数の同様の部品のコーティングの、および／または他方では長期間にわたって実行されるより大型の部品のコーティングの、高い再現性と均一な品質とが得られる。
その際に極めて重要な点は、溶射プロセスまたは施された溶射層と、本発明に基づいて構成された診断との間の不都合な妨害および／または相互作用は、干渉がない無接触の光学式検出に基づいて品質特徴を検出し、制御し、かつ／または監視することによって完全に排除されるということである。
【００２０】
光学式分光装置としては、ディジタル式にもアナログ式にも動作する分光装置を使用することができる。その場合、通常は少なくとも、発光をスペクトル解析するスペクトル装置と、スペクトル強度に比例するアナログ電気信号を生成するための変換器と、同様に比例するディジタル信号を生成するための変換器とからなる使用される分光装置を、空間的に分離して単一部品群として実施するのか、または例えばアナログ−ディジタル変換器を組み込んだＰＣ挿入カード分光光度計として完全に集積して実施するかは機能性にとってはさしたる問題ではない。スペクトル線強度および／または全体強度積分の、一方では位置分解による測定、他方では時間分解による測定によって、必要な検出、制御、監視、および／または調整が保証され得る。現在では、ミリ秒単位の最小の時間枠が、例えばパラメータの時間分解による検出の通常の技術的、経済的な下限とみなされている。その理由は、現在使用されている内蔵式の自動的に動作する溶射装置制御システム、ならびにその作業およびプログラムのクロック周期のため、調整信号のより迅速な変換を利用できないからである。
【００２１】
単数または複数のパラメータを調整し、また場合によっては最適化するために光学式分光装置による検出、制御、監視、および／または調整を有利に利用できる。ディジタル技術によって、本発明に基づく溶射層の品質の検出、制御、監視、および／または調整に役立つ記録を、溶射プロセス進行中に直接目視できるようにし、かつ／または評価することで、溶射パラメータの最適な調整をオンラインで行うことが問題なく可能になる。パラメータを最適化することで、一方では、溶射方法で使用される単数または複数の物質（例えばガス、溶射添加材料、エネルギ媒体等）の非効率的な大量消費が回避されるので、溶射プロセスの経済性に寄与する。
他方では、異物（例えば溶射添加材料の不純物）の混入、または品質の基準に対応しない物質（例えば品質が不充分なガス）の使用の早期かつ迅速な検知が、溶射プロセスの開始時および進行中に可能になるので、作業および処理の高い確実性が保証される。
【００２２】
本発明の枠内で、診断技術の端緒となる評価および表示の多様な可能性を活用することができる。その場合、個々の事例に応じて、例えばコンピュータ処理される、記録されたスペクトルの生データが所定の利点を提供することもできる。さらに、状況によっては例えば、記録された単数または複数の線強度の積分形成、微分形成および／または比率形成、および／または単数または複数の全体強度積分の比率形成のような数学的な評価アルゴリズムを利用することができる。その上、ディジタル技術を用いることによって、そのつどの用例に適した様々な（例えばコンピュータによって処理された、または再処理された）表示バリエーションを選択することが可能である。その場合、表示は基本的に溶射プロセスにとって重要な単数または複数のパラメータ、または導出された数値の時間的推移として行うことができる。通常の時間分解による表示の他に、例えばレベル線表示、極座標表示、および／または振幅スペクトルまたは周波数スペクトルとしての表示もフーリエ変換、またはその混合形式を利用して用いることができる。
【００２３】
本発明の変更形態では、光学式分光装置を使用して作成されたデータと記録を、溶射層の品質に影響を及ぼす単数または複数の特徴および／または溶射プロセスの記録作成に利用することができる。本発明の有利な変更形態は、適宜の電気的、データ処理技術的、および光学的な結合ならびにインタフェースによって、本発明と外部機器／システムとの直接的かつオンラインの通信およびデータ交換を行うアナログおよびディジタル技術を利用したあらゆる可能性を含んでいる。その際、重要な特徴の記録および長期保存を内蔵の不揮発データ・メモリまたは外部のデータ管理システムにおいてオンラインで実行することができる。その他の有利な変更形態では、判定された特徴から限界値の通知をアナログまたはディジタル形式で簡単に作成でき、この通知を溶射プロセス中に再処理のために溶射装置制御部に直接に伝送することができる。本発明の適切な変更形態によって、単数または複数の記録チャネルおよび分光装置を使用して、異なる溶射装置からの異なる溶射噴霧領域および／または複数の溶射噴霧の、時間分割および／または位置分割による検出を同時に実行することができることも保証される。好適には溶射噴霧で発生する発光の検出とスペクトル解析とを可視領域（好適には３５０ｎｍ〜８５０ｎｍ）で実行する本発明は、用例に応じて、溶射パラメータの検知、制御、監視、および／または調整のために紫外線スペクトル領域（好適には２００ｎｍ〜３５０ｎｍ）、および／または赤外線スペクトル領域（好適には８５０ｎｍ〜８μｍ）のスペクトル強度を検出することが簡単に可能であるように有利に変更することができる。別の有利な実施形態では、機能性が限定されることなく本発明をＰＣキャビネット、携帯用小型機器として、または既存の装置とシステムとのための１９インチ技術のキャビネット・ラック（Ｒａｃｋｍｏｄｕｌｅｆｏｒｅｘｉｓｔｉｎｇｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｓａｎｄｓｙｓｔｅｍｓ）としても実現することができる。
【００２４】
次に本発明の実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。図面中の同一または類似の部品には同一の参照符号を付してある。
図１は溶射装置１の有利な実施形態を示す。溶射装置１は分光装置１３を用いて検出、監視、制御、および調整するための装置を備えている。この場合、所定の目標値の±１％よりも良好な許容差範囲内にある溶射パラメータが短期的、および長期的にも一定に保たれることが保証される。溶射噴霧７は溶射装置１の溶射ノズル６（図示せず）から噴射され、保護ガス掃気を内蔵した適宜の視準光学系１１を備えた光学センサ１０を介して、溶射噴霧７から発光されるスペクトルの検出が行われる。その際に光学センサ１０は、溶射噴霧の噴射面Ａと、水平方向に間隔Ｃを隔てて位置している。間隔Ｃとして通常は１０ｍｍ〜１００ｍｍが選択される。光学センサ１０の上縁Ｅは、噴射される溶射噴霧７の中心線と間隔Ｆを隔てた位置にある。この間隔Ｆは通常２０ｍｍ〜２００ｍｍである。光学センサ１０の位置をこのように選択する場合、ガス部分の発光を溶射噴霧７内の粒子部分の発光と同様に検出することが可能である。
【００２５】
溶射噴霧７の発光は、光学センサ１０内に組込まれた視準光学系１１を介してグラスファイバ・ケーブル１２内に合焦される。グラスファイバ・ケーブル１２は次に、発光を分光装置１３に伝送する。その際の伝送用のインタフェースは分光装置１３に組込まれた分光光度計モジュール１４である。分光装置１３は以下の部品を含んでいる。すなわち、ＡＤＣモジュール１５、測定値検出および評価モジュール１６、調整および制御モジュール１７、インタフェース・モジュール１８、およびデータベース・モジュール１９である。分光装置１３に組込まれたインタフェース・モジュール１８を介して、溶射装置制御部２に組込まれた目標値設定モジュール９によって作成される溶射パラメータの目標値の入力が行われる。分光装置１３のインタフェース・モジュール１８を介して、調整および制御モジュール１７の結果および決定に応じて、目標値Ｓ１_１、Ｓ１_２、・・、Ｓ１_ｎ（ただしｎ＝１，２，・・・パラメータ指数）のフィードバック、または分光装置１３の調整および制御モジュール１７で新規に作成された目標値Ｓ２_１、Ｓ２_２、・・・、Ｓ２_ｎ（ただしｎ＝１，２，・・・パラメータ指数）が新規の目標値Ｓ３_１、Ｓ３_２、・・・、Ｓ３_ｎ（ただしｎ＝１，２，・・・パラメータ指数）として溶射装置１に伝送される。その際に、この実施例では、溶射装置制御部２に組込まれた目標値設定モジュール９に目標値が伝送される。勿論、インタフェース・モジュール１８から目標値をセット１の調整ユニット４に直接伝送することも可能である。何れの場合も、溶射パラメータの効率的なオンラインでの変更および調整、および溶射層の効率的な品質管理が保証される。
【００２６】
図２は、図１に概略に示した分光装置１３内での溶射パラメータの検出、制御、監視、および調整の流れ図を示す。溶射噴霧７の発光は光学センサ１０とグラスファイバ・ケーブル１２とを経て分光光度計モジュール１４に直に誘導される。分光光度計モジュール１４では光信号が、比例する電気信号へと変換される。この信号はＡＤＣモジュール１５に入り、これはアナログ信号の増幅と、比例するディジタル信号への変換とを行うことで、測定値検出および評価モジュール１６でのディジタル式の信号処理に利用できるようにする。
【００２７】
測定値検出および評価モジュール１６では、記録された発光スペクトルの時間分解による解析と、プロセスの進行を特徴付ける、この実施例では４つの線強度（好適にはガス線粉末線がそれぞれ２つずつ）の検出と、スペクトルの関連する積分線強度および全体積分の計算が行われる。線の個々の強度は以下ではＬＩ_ｎ１、ＬＩ_ｎ２、・・・、ＬＩ_ｎｋ（ただしｎ＝１，２，・・・パラメータ指数、かつｋ＝１，２，・・・時間指数）と称する。線の関連する積分は、所定の線の半値幅全体に基づいて線強度の数値積分から算定され、以下ではスペクトルの積分 ∫Ｉ_ｎ１、∫Ｉ_ｎ２、・・・、∫Ｉ_ｎｋ（ただしｎ＝１，２，・・・パラメータ指数、かつｋ＝１，２，・・・時間指数）と称する。これに対応して、全スペクトルの積分には関係式 ∫Ｉ_１、∫Ｉ_２、・・・、∫Ｉ_ｋ（ただしｋ＝１，２，・・・時間指数）が用いられる。ＥＮ１３９７に基づいた溶射装置の始動と承認に成功すると、分光装置のデータベース・モジュール１９をその都度利用するための基準パラメータ・データセット〔（ＬＩ_{１Ｓｏｌｌ}，ＬＩ_{２Ｓｏｌｌ}，・・・ＬＩ_{ｎＳｏｌｌ}）；（∫Ｉ_{１Ｓｏｌｌ}，∫Ｉ_{２Ｓｏｌｌ}，・・・∫Ｉ_{ｎＳｏｌｌ}）；（∫Ｉ_ｓｏｌｌ）〕が配分される。さらに、溶射装置１の動作時に、コーティングされる新規の部品を送り込む際に全スペクトルの積分∫Ｉ_ｎＩｓｔの長期保存が行われる。実際の数値 ∫Ｉ_ｎの変化を数値 ∫Ｉ_ｓｏｌｌと順次比較し、追跡することによって、例えばノズルの磨耗のような溶射装置１の長期的な状態が、プラズマ噴射の場合はアークによって監視され、調整されることができる。長期的な監視および調整の他に、溶射パラメータの短期的な偏差を除去する努力がなされる。
【００２８】
次に、溶射装置制御部２の目標値設定モジュール９によって作成された目標値Ｓ１_ｎだけをフィードバックされなければならないのか、または新規に算定された目標値Ｓ２_ｎが溶射装置制御部２に転送されなければならないのかの短期決定の基本的な手順を説明する。そのために１秒未満の時間間隔で、線強度の差の絶対値（ｄＬＩ_ｎｋ）、ならびに線強度積分（ｄ∫Ｉ_ｎｋ）の差の絶対値が算定される。その後の時間に依存する内部の目標値Ｓ２_ｎの計算は、線強度差ｄＬＩ_ｎｋ、線積分差ｄ∫Ｉ_ｎｋ、ならびにデータベース・モジュール１９によって作成された修正項ａ_１、ｂ_ｍ、ｃ_ｐを援用して、数式Ｓ２_ｎ＝Ｓ１_ｎ＋ａ_１ ^＊ｄＬ１_ｎｋ＋ｂ_ｍ ^＊ｄ∫Ｉ_ｎｋ＋ｃ_ｐに基づいて行われる。その際に修正項は事前に経験値で算定され、データベース・モジュール１９の不揮発性メモリから揮発性メモリへの一度だけの転送によってシステムを利用できる。
【００２９】
上記の差ｄＬＩ_ｎｋとｄ∫Ｉ_ｎｋの算定と並行して、時間によって変化する線強度（ΔＬＩ_ｎｋ＝絶対値〔ＬＩ_ｎｋ＋１−ＬＩ_ｎｋ〕の差の絶対値が算定される。次に、この数値ΔＬＩ_ｎｋが、時間的に先行するそれぞれの値に対して１％以上偏差しているか否かが試験される。対応する偏差が生じた場合は、対応して割当てられたブール変数ｄＬＩ_ｎが１に設定される。それ以外の場合は、この変数は０の値をとる。これと並行して、時間によって変化する強度積分の差の絶対値の計算が行われる（ｄ∫Ｉ_ｎｋ＝絶対値〔∫Ｉ_ｋ＋１ −∫Ｉ_ｋ〕。その後、この数値ｄ∫Ｉ_ｎｋが、時間的に先行するそれぞれの値に対して１０％以上偏差しているか否かが試験される。対応する偏差が生じた場合は、対応して割当てられたブール変数Δ∫Ｉ_ｎｋが１に設定され、それ以外の場合この変数は０の値をとる。
【００３０】
最後に、時間分解により別の論理演算で双方のブール変数Δ∫Ｉ_ｎｋとΔＬＩ_ｎｋとの「ＡＮＤ」演算が行われる。その結果の論理値が「１」（＝ｔｒｕｅ／真）である場合は、内部で新規に計算された目標値Ｓ２_ｎが新規の目標値Ｓ３_ｎとしてインタフェース・モジュール１８に転送される。論理値「０」（＝真ではない／ｆａｌｓｅ）の場合は、溶射装置制御部７の設定モジュール９によって提供される旧来の目標値Ｓ１_ｎがインタフェース・モジュール１８へと転送される。最後にインタフェース・モジュール１８によって目標値Ｓ３_ｎが溶射装置制御部７の設定モジュール９に伝送されるか、または溶射装置１の調整ユニット４に直接伝送される。
【００３１】
図３には本発明による溶射装置を調整するための新規の目標値Ｓ３_ｎを検出し、評価し、計算する前述の方法を流れ図の形式で示している。メイン・プログラム・モジュール２０は後述する機能とモジュールの自動的な処理を提供する。メイン・プログラム・モジュール２０内では先ず、モジュール２１「構成データ・ロード」によって、システムに対して既存のハードウェアの基本構造を告知する構成データが、データベース・モジュール９内の不揮発メモリによって提供される揮発性メモリ内にロードされる。後続のモジュールは自動化されて動作するが、ユーザの手動入力によって設定され、中断される。これには特に、分光装置１３の新規構成、入力／出力試験、および承認に役立つサブプログラム・モジュール２２「始動／構成」が挙げられる。
【００３２】
サブプログラム２３「プロセス監視およびプロセス制御」では、用途に特化された様々な溶射添加材料を自動的に認識するためのモジュール２４「プロセス・データベース・ロード」、ならびに自動的な測定値検出、測定値処理、制御および調整信号の計算、データの可視化、ならびにデータの長期保存のためのモジュール２５「プロセス調整」が実施される。サブプログラム・モジュール２５「プロセス監視およびプロセス調整」内では機能２６「測定値検出および評価」が、記録された発光スペクトルの前述の時間分解による解析と、プロセスの進行を特徴付ける４つの線強度の算定と、関連する積分線強度およびスペクトルの全体積分の計算とを担う。機能２７「調整および制御」は対応する目標値の転送を決定するための対応するブール変数の生成と組合わせて、線強度と線強度積分との差の絶対値、ならびにレジスタ内の先行値に対する関連する偏差のパーセンテージの時間に依存した計算という前述の数学的な任務を担う。更に、ここでは内部の新規の目標値設定の計算、および機能２８「インタフェース」への転送を行う。この機能２８は、目標値修正のためのアナログまたはディジタル・インタフェースへの新規の目標値を溶射装置制御部２内の外部動作の（ＳＰＳ）プログラム３１に転送すること、ならびに時間分解により算定され計算されたデータを機能２９「データ表示」、および機能３０「データ長期保存」に転送することを保証する。付加的な入力／出力ユニットによってこのデータと品質の記録をディスプレイおよび／またはプリンタに出力することができる。
【００３３】
図４は炭化タングステン−コバルト（ＷＣ／Ｃｏ）のプラズマ噴射の場合の、溶射パラメータの短期変動に応じた４つの特徴的なスペクトル線（溶射粉末についてそれぞれ２本、ガスについてそれぞれ２本）の時間的な強度曲線を示している。この場合、電流強度、粉末搬送速度、プラズマガス量（アルゴン、水素）、および粉末インジェクタの位置決めを最適に選択することによって、高温のガス噴霧中の溶射粉末が、溶解もしくは融解した状態で部品に塗布されるような軌跡を描くことが追求される。しかし、その際には温度が高すぎて炭化タングステン（ＷＣ）が分解状態になることを避けなければならない。図４は線強度の評価による迅速かつ効率的な検出と調整を示している。図４に１、９、および１７で示した実験では、目標−基準調整の再現性が示された。実験２〜８では、重要な溶射パラメータの目標値に対する±２％の規定の変化が生じ、実験１０〜１６では±５％の規定の変化が生じた。図４は、ＥＮ１３９７によってなお許容されている重要な溶射パラメータの特に短期の変動を再現性をもって検出し、オンラインで目標パラメータに調整できることが印象深く示されている。
【００３４】
図５には、ＷＣ／Ｃｏをプラズマ噴射した場合の選択された個々のスペクトル線の強度積分と、全体スペクトルの積分と、関連する線形傾向線の長期にわたる時間推移曲線が示されている。プラズマ噴射の場合は、溶射層の品質に対する悪影響を溶射ノズルの磨耗によって早期に発見することが特に重要である。この場合はアークの電流強度が高いので、燃焼現象および電極間隔の変化が生ずる。ＥＮ１３９７に基づいて実施される溶射装置は磨耗を補償するため電流の事後調整は限定的にしか行われないが、その際に溶射層の品質に関するオンラインの告知を行うことができない。しかし、同様に高く、再現性がある溶射層の品質を保ちつつ、ノズルおよび電極の使用の全寿命を活用できるようにすることが追求される。特に積分強度を特徴付けるスペクトル線、ならびに全体スペクトルの積分は、溶射ノズルの状態、およびノズル交換ならびに電極交換の時点を決定する基準を定量的に告知するものである。図５に示す長期の基準時間間隔にわたる積分値は、記録された積分と、複数の溶射パラメータの対応する事後調整との長期にわたる比較によって、生成される溶射層の高い品質を一様に保ちつつ、互いに独立して、一方ではノズルの最大寿命が活用でき、他方では寿命の終了を予測できることを明らかにしている。
【００３５】
【発明の効果】
プラズマ噴射方法の性能と、プラズマ噴射装置の性能が著しく向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】分光装置を組込んだ調整された溶射装置の実施形態の概略図である。
【図２】図２に示した分光装置での溶射パラメータの検出、制御、監視、および／または調整のための概略流れ図である。
【図３】図２の装置の分光装置のソフトウェアの概略流れ図である。
【図４】プラズマ噴射の場合の溶射パラメータの短期の変動に依存するスペクトル線強度の時間推移曲線である。
【図５】プラズマ噴射装置の長期磨耗現象に依存した個々のスペクトル線の強度積分と、全体強度積分との時間推移曲線である。
【図６】パラメータｎの内部調整、および目標値設定Ｓ１_ｎを伴うＥＮ１３９５に基づく溶射装置の概略図である。
【符号の説明】
１溶射装置
２溶射装置制御部
３エネルギ媒体、溶射添加材料およびガスのタンク
４パメラータ１、・・・、ｎの測定と線量を伴う調整ユニット１，・・・ｎ
５溶射ガン
６溶射ノズル
７溶射噴霧
８エネルギ媒体、溶射添加材料、およびガスの供給管
９パラメータ１、２、・・・、ｎ（但しｎ＝１、２・・・（パラメータ指数））の場合の目標値設定Ｓ１_１、Ｓ１_２、・・・、Ｓ１_ｎのための設定モジュール
１０光学センサ
１１光学視準ユニット
１２グラスファイバケーブル
１３分光装置
１４分光光度計モジュール
１５ＡＤＣモジュール
１６測定値検出および評価モジュール
１７調整および制御モジュール
１８インタフェース・モジュール
１９データベース・モジュール
２０メイン・プログラム
２１モジュール構成データ
２２サブプログラム・モジュール始動／構成
２３サブプログラム・モジュールプロセス監視およびプロセス制御
２４モジュール・プロセス・データベース
２５モジュール・プロセス調整
２６機能（測定値検出および評価）
２７機能（調整および制御）
２８機能（インタフェース）
２９機能（データ表示）
３０機能（データ長期保存）
３１外部ＳＰＳ（プログラム）装置制御／パラメータ監視

Claims

溶射パラメータの目標値Ｓ１を設定する目標値設定モジュールが組み込まれた溶射装置制御部、パメラータを測定する調整ユニット、エネルギ媒体タンク、溶射添加材料タンクおよび溶射ノズルを含む溶射装置と、
コーティングの品質に影響を及ぼす少なくとも１つのパラメータを検出するための光学センサと、
入力側が前記光学センサに接続され、出力側が前記調整ユニットに接続されている分光装置と、
を備え、
前記分光装置は、
前記光学センサからの光信号を電気信号へと変換する分光光度計モジュールと、
前記分光光度計モジュールで電気信号に変換されたアナログ信号の増幅と、ディジタル信号への変換を行うＡＤＣモジュールと、
記録された発光スペクトルの時間分解による解析と、４つの線強度を検出し、積分線強度および全体積分を行なう測定値検出および評価モジュールと、
新規の目標値Ｓ２ _１〜Ｓ２ _ｎを作成する調整および制御モジュールと、
溶射装置の溶射装置制御部に設けられた目標値設定モジュールに接続されるインタフェースモジュールと、データベースモジュールと、
を含み、
前記調整および制御モジュールは、前記目標値設定モジュールによって作成された目標値Ｓ１ _ｎから新規の目標値Ｓ２ _ｎを決定するため、１秒未満の時間間隔での線強度の差の絶対値、ならびに線強度積分の差の絶対値を算定し、並行して、時間によって変化する線強度の差の絶対値と強度積分の差の絶対値が算定され、前記各絶対値は先行値と比較してブール変数を設置し論理演算により決定され、
前記インタフェースモジュールを介して、前記調整および制御モジュールの結果および決定に応じて、目標値Ｓ１ _１〜Ｓ１ _ｎのフィードバック、または前記分光装置の前記調整および制御モジュールで新規に作成された目標値Ｓ２ _１〜Ｓ２ _ｎが新規の目標値Ｓ３ _１〜Ｓ３ _ｎとして溶射装置１の前記目標値設定モジュールに伝送される手段を有することを特徴とする溶射システム。
基体の表面にコーティングを施すための溶射方法であって、コーティングされる前記基体表面にガスを使用して添加材料を噴射するステップと、
光学センサを用いて溶射噴霧の発光を検出するステップと、
前記光学センサによって検出された発光計測値を分光装置でスペクトル分析するステップと、
該スペクトル分析の結果に基づいて、コーティング層の品質に影響を及ぼす少なくとも１つのパラメータを判定するステップと、
実値と目標値とを比較するステップと、
溶射パラメータを調整するステップと、
を含み、
前記スペクトル分析するステップは、前記目標値設定モジュールによって作成された目標値Ｓ１ _ｎと新規に算定された目標値Ｓ２ _ｎから溶射装置制御部に転送する目標値を決定するために１秒未満の時間間隔での線強度の差の絶対値、ならびに線強度積分の差の絶対値を算定するとともに、これと並行して、時間によって変化する線強度の差の絶対値と強度積分の差の絶対値を算定し、前記各絶対値を先行値と比較してブール変数を設置し論理演算により前記インターフェースモジュールへの転送目標値を決定し、
前記インタフェース・モジュールを介して、前記調整および制御モジュールの結果および決定に応じて、目標値Ｓ１のフィードバック、または前記分光装置の前記調整および制御モジュールで新規に作成された目標値Ｓ２が新規の目標値Ｓ３として溶射装置１に伝送されることを特徴とする溶射方法。
前記新規の目標値Ｓ３は、
溶射添加材料を自動的に認識する段階、
自動的な測定値検出、測定値処理、制御および調整信号の計算、データの可視化、ならびにデータの長期保存を行なうプロセス監視およびプロセス制御段階、
により検出、評価、計算され、
前記プロセス監視およびプロセス制御段階は、記録された発光スペクトルの時間分解による解析と、プロセスの進行を特徴付ける４つの線強度算定と、関連する積分線強度およびスペクトルの全体積分の計算を行なう測定値検出および評価段階、
対応する目標値の転送を決定するための対応するブール変数の生成と組合わせて、線強度と線強度積分との差の絶対値、ならびにレジスタ内の先行値に対する関連する偏差のパーセンテージの時間に依存した計算および内部の新規目標値設定計算とインタフェースへの転送を行う調整および制御段階、
および、目標値修正のための新規の目標値を溶射装置制御部に転送し、また時間分解により算定されたデータをデータ表示し、データ長期保存段階に転送する段階を含むことを特徴とする請求項２記載の溶射方法。
溶射噴霧で生ずる発光の検出およびスペクトル分析は可視領域、好適には３５０ｎｍ〜８５０ｎｍの範囲内で行われることを特徴とする請求項２に記載の溶射方法。
溶射噴霧で生ずる発光の検出およびスペクトル分析は紫外線スペクトル領域、好適には２００ｎｍ〜３５０ｎｍの領域で、または赤外線スペクトル領域、好適には８５０ｎｍ〜８μｍの領域で行われることを特徴とする請求項２に記載の溶射方法。