JP4395364B2 - 自動溶射方法 - Google Patents

Description

本発明は、水力、火力、原子力発電所などに設置されている大形鋼管のような円形鋼構造物の内壁面、水平面、外壁面を自動溶射する自動溶射方法に関する。

特に、本発明は円形鋼構造物の内壁面の被溶射面が階段状の垂直面及び水平面であるもの、例えばフランシス水車などのランナー（羽根車）のシュラウドが回転摺動する出口ライナーの内壁面を、土砂などに対する耐摩耗性、耐食性を向上させるために溶射して皮膜を施工する方法に関するものである。

溶射法は、金属（合金）、セラミック、サーメットなどの溶射される材料（以下溶射材料という）をプラズマジェットや可燃性の炭化水素と酸素との燃焼フレームなどの熱源によって溶融した状態、若しくは軟化状態の微粒子として、被処理体の表面に吹き付けて皮膜を形成する表面処理方法として広く用いられている。

前記溶射法は熱エネルギーによって前記溶射材料を溶融・軟化するのであり、金属はもちろんのこと、酸化物、硼化物、ガラス、プラスチック等も溶射材料として採用することとができ、被処理体の表面に処理材料が保有する多彩な機能を表面皮膜として付与することが可能である。

また、炭化物のように硬質であるものの、熱源中で明確な融点を示さず、分解したり、酸化したりして変質しやすい材料には、金属質を混在させることによって、これをバインダーとして金属質の接合力を利用して炭化物粒子を相互に結合させることによって、皮膜を形成させることが可能であり耐摩耗皮膜として汎用されている。

一方、溶射装置は溶射ガン、熱源（電気、燃料など）及び溶射粉末供給装置があれば、容易に施工できることなどから可搬性で現地作業に富んだ表面処理装置として評価され、大形の鋼構造物の防食・耐高温環境性皮膜などの施工に適用されている。

例えば、屋外の大形鋼構造物の防食対策として亜鉛・アルミニウム及びそれらの合金溶射として溶射皮膜の品質（ＪＩＳ Ｈ８３００ １９９９）、溶射皮膜試験法（ＪＩＳ Ｈ８６６１ １９９９）などが制定されている。ただ、これらの現地溶射の大部分は、作業者が溶射ガンを持って施工するいわゆる人力による皮膜形成であり、施工した溶射皮膜の品質管理が十分に行われていない状態にある。亜鉛・アルミニウム溶射皮膜のように鋼構造物に対して犠牲陽極作用によって防食する場合には、厳格な膜厚管理を必要としない場合が多いので、このような場合には膜厚の分布が大きくても問題となることは少ない。

ただ、防食を目的とした溶射皮膜でも、ボイラ蒸発管壁のように大面積の平面を対象とする場合には特開平１０−３１０８６０号公報に開示されているような自動溶射装置が適用されている。この自動溶射装置は、軸線が水平に対して傾斜したボイラ炉壁管から成る垂直な火炉壁に対して自動溶射するものであるが、しかし、この場合の溶射皮膜でも防食を目的としているため、厳格な膜厚管理を必要とせず、最小膜厚を管理しているのみである。
特開平６−２８９１９２号公報

従来の大形鋼構造物の溶射皮膜施工を目的とした自動溶射方法には、次の問題点がある。

(１)被溶射面が平面又はボイラ鋼管のような円筒の形状であるが略平面として取り扱えるため、溶射ガンの移動が往復運動に限定されている。

(２)皮膜材質が金属（合金）に限定され、膜厚の許容範囲が大きく、仮に膜厚分布に大きな幅が存在しても耐食性に必要な最小膜厚が確保されていれば問題がないので、厳格な膜厚管理を無視した自動溶射方法となっている。

(３)硬質で耐摩耗性及び耐キャビテーション・エロージョン性に優れた性能を示す炭化物サーメット皮膜は現地作業によって成膜後、これを機械加工などにより膜厚を均一にすることは困難であるため、精度の高い膜厚分布を有する皮膜の施工可能な自動溶射方法の開発が望まれているが、未だに完成されていない。

(４)また、本発明が対象とするような大形円形鋼構造物の内壁面の被溶射面が階段状になっていて、しかも、その水平面と垂直面とに硬質の炭化物サーメット皮膜を精度の高い膜厚分布で施工する自動溶射方法は開発されていない。

（５）従来の溶射方法にて溶射を行った場合少なくとも０．１ｍｍ程度の溶射膜厚精度のばらつきが発生し、狭隘な間隙を構成する固定部と可動部両方の部品の接触面に溶射すると、可動するのに必要な間隙の確保が困難である。

本発明は以上述べた事情に鑑みなされたもので、円形鋼構造物の内壁面の被溶射面に精度の高い膜厚分布の均等な溶射皮膜を自動施工できる自動溶射方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、自動溶射装置に備えられた溶射ガンを回転させて円形鋼構造物の内壁面の被溶射面を溶射する自動溶射方法であって、前記溶射ガンの溶射円周軌道は前記被溶射面を所定の回転回数−α移動するごとに回転方向を変えるように設定されており、前記溶射ガンを前記溶射軌道に従って移動させるとともに溶射することで前記被溶射面に対して連続的に溶射できることを特徴とする自動溶射方法を提供する。

この構成によると、溶射ガンを正逆２方向（時計回り方向と反時計回り方向）に回転させつつ溶射を行う方法で、円形鋼構造物の内壁面の被溶射面に対して精度が高く、膜厚分布の均等又は略均等な溶射皮膜を自動施工することができる。

上記構成のαとして、前記溶射ガンの移動長さを例示することができる。

前記自動溶射方法が溶射ガンの移動速さ（移動距離）をもとに該溶射ガンの移動を制御している場合、αを長さにすることで制御が容易になる。

また前記αとして、それには限らないが、前記溶射ガンの溶射材料の溶射量と溶射速度により決定される長さを例示することができる。前記溶射ガンの溶射材料の溶射量と溶射速度によって膜厚が決定するので、膜厚によって決定してもよい。このとき、１回の溶射における施工溶射皮膜の膜厚が５０μｍ以下の場合、αは５ｍｍ以上５０ｍｍ以下であるものが望ましい。

上記構成のαとして、溶射ガンの溶射軌道の中心角度を例示できる。

前記自動溶射方法が溶射ガンの移動の前記中心角度をもとに該溶射ガンの移動を制御している場合、αを前記中心角度にすることで制御が容易になる。

また前記αとして、それには限らないが、前記被溶射面の内径と前記溶射ガンの溶射量及び溶射速度により決定される中心角度を例示することができる。

本発明によると大形の円形鋼構造物の内壁面、水平面、外壁面の被溶射面に硬質で耐摩耗性・耐キャビテーション性・耐エロージョン性に優れた炭化物サーメット皮膜を溶射膜厚の分布に大きな幅が存在することに対しておよび溶射成膜後、これを機械加工などにより均一にすることは困難であることに対し、自動溶射装置を用いて均等に成膜することができ、溶射皮膜の機能を最大限に引き出すことができる自動溶射方法を提供することができる。

さらに本発明によると、使用によって溶射加工に要する時間を短縮することができ、それだけ生産性の向上にも大きく貢献できる自動溶射方法を提供することができる。

本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。

図１に本発明の自動溶射方法を適用した自動溶射装置を示す。図１に示す自動溶射装置Ａは大形の円形鋼構造物であるフランシス水車のランナー（羽根車）のシュラウドが摺動する出口ライナーの階段状内壁面の自動溶射を行っている状態の断面図である。

フランシス水車の吸出し管Ｆは出口端に出口ライナーＦ１が取り付けられており、自動溶射装置Ａは出口ライナーＦ１の階段状内壁面の垂直面Ｆ１１及び水平面Ｆ１２に対して本発明にかかる自動溶射方法を用いて成膜材料を溶射する。

自動溶射装置Ａは、上部に円形のテーブル１と、テーブル１の昇降機構（図示省略）を内蔵した基礎支柱である主軸２と、またテーブル１の上には、テーブル１の中心点を軸としてテーブル１上を水平に回転移動する水平板３とを備えている
テーブル１の昇降は主軸２の下部に配設されたテーブル昇降モータ４によって行われ、またテーブル１の上に設けられた水平板３の回転移動は、テーブル１の下部に取り付けられた水平板回転モータ５によって行われる。

さらに、水平板３の上には、前後の水平移動機構を備えた横型のシリンダ６が取り付けられ、スピンドル移動モータ７の作動によって、Ｌ字型をした水平移動スピンドル８が前後に運動するようになっている。

さて、以上述べた自動溶射装置Ａを用いて円形鋼構造物の内壁面の垂直面、すなわち本実施形態によれば出口ライナーＦ１の内壁垂直面Ｆ１１を溶射する場合には、Ｌ字型をした水平移動スピンドル８に取り付けたロータリーアクチュエータ９に鋼製のアーム９１を取り付け、このアームに溶射ガン９２を、被溶射面（内壁垂直面）Ｆ１１に対して所定の角度、それには限定されないが、ここでは９０°の角度で溶射できるように固定する。

溶射ガン９２と被溶射面とを常に溶射粒子が９０°の角度で衝突すると共に、両者の距離を適切に保つ必要がある。このため、自動溶射装置Ａは水平移動スピンドル８を前後に調整することによって、溶射ガン９２と被溶射面との距離を自由に変化させることができるようになっている。また、主軸２のテーブル昇降モータ４を駆動し、テーブル１を上下に移動させることによって、溶射ガン９２を上下に移動させることが可能であり、出口ライナーＦ１の内壁垂直面Ｆ１１に精度の高い溶射皮膜を形成することが可能である。

一方、被溶射面が水平面、すなわち出口ライナーＦ１の内壁水平面Ｆ１２を溶射する場合には、図１に示すようにロータリーアクチュエータ９の上部にＬ字型をした鋼製のアーム９３を取り付け、このアームの先端に溶射ガンの姿勢を調整するためのエアシリンダ９４及び溶射ガン９５を下方に向けて取り付ける。ここでも、溶射ガン９５は溶射粒子が９０°の角度で被溶射面（内壁水平面）Ｆ１２に衝突するように配設される。この垂直に取り付けられた溶射ガン９５は、水平の移動スピンドル８を前後に移動させることによって、また、水平板３の回転による円周方向への回転によって、出口ライナーＦ１の内壁水平面Ｆ１に精度の高い溶射皮膜を形成することが可能である。

なお、溶射ガン９２、９５には、それぞれ溶射粉末材料を供給するためのホース、燃料や酸素、ときにはＡｒガスを供給するためのホースが取り付けられているが、ここではその詳細は省略する。

また、図１において、主軸２を固定するための固定板２１、この固定板２１の水平位置を調整するための微調整支柱２２がそれぞれ設けられており、これらが溶射装置Ａの正確な位置決めと溶射皮膜の均等な施工仕上がりを支えている。

さらに、垂直面用の溶射ガン９２と水平面用の溶射ガン９５とは一緒ではなくて交換自在にスピンドル８に取り付けるようにすることもできる。

次に、本発明の自動溶射方法について説明する。図２（Ａ）に本発明の自動溶射方法によって円形鋼構造物の内壁水平面を溶射するときの円形の溶射軌道の概略図を、図２（Ｂ）に溶射軌道を切り替える位置での溶射膜厚の概略図を示す。

本発明の自動溶射方法によれば、円形鋼構造物の内壁面を自動用溶射装置Ａに装着されている溶射ガン９２、９５を回転させることによって連続的に溶射皮膜を施工することが可能である。しかし、実際の溶射ガン９２、９５には、燃料・酸素・溶射粉末材料などのホースが取り付けられているため、一方向のみに連続回転することは困難である。

このため、本発明の自動溶射方法による円形鋼構造物の内壁面の溶射には、次に示すような溶射軌道を描くようにした。

すなわち、内壁水平面Ｆ１２を溶射する場合を例にとると、図２に示すように溶射ガン９５の位置を決めた後（Ａ点）、最初の水平面Ｆ１２の溶射は、溶射ガン９５を１回転−αとして１回転よりもα分だけ短い長さ時計廻りに回転させつつ溶射する。その後溶射軌道を変えて（ここでは溶射ガン９５の回転半径を小さくする）、今度は逆方向（反時計廻り）に１回転−αの長さ溶射する。

次に溶射ガン９５の回転半径をさらに小さくした後、再び回転方向を変えて時計廻りに１回転−αの距離を溶射した後、再度回転半径を小さくして反時計廻りに１回転−α溶射する。以下、これを繰り返してＢ点に至り全面を溶射する。

このとき、溶射ガン９５は溶射軌道を切り替えるときにも溶射を停止しないので、溶射ガン９５から噴出される溶射材料は、軌道転換時のオーバシュートによる拡散で、溶射されない隙間部α１にも付着し、溶射軌道内の被溶射部α２に比べると薄い膜厚であるが溶射膜が形成される。次に逆向きに回転してきたときにも間隙部α１にも薄い膜厚で溶射材料が溶射膜を形成する。これにより、間隙部α１にも被溶射部α２と匹敵する厚さの溶射膜を形成することができ、膜厚分布に大きな振れが出ないように溶射皮膜を施工することができる。

ここで、αはそれには限定されないが、ここでは、溶射ガン９５からの溶射量、溶射速度によって決定するものすなわち１溶射軌道あたりの溶射皮膜の膜厚によって決まる長さである。１溶射軌道で施工される膜厚が５０μｍ以下の場合、αは５ｍｍ以上５０ｍｍ以下であることが好ましい。

また、本発明にかかる自動溶射方法が溶射ガン９５の動作を角度で制御する自動溶射方法の場合、αは中心角度であってもよい。このとき、αは溶射ガン９５からの溶射量、溶射速度及び被溶射面の内径によって決定するものを例示することができる。

以上は出口ライナーＦ１の水平面Ｆ１２に対して溶射皮膜の成膜を行うものを例示しているが、垂直面Ｆ１１に対しても同様に成膜することが可能である。

また、上記の実施例においては溶射ガン９５は１回転ごとに軌道を切り替えて回転方向を反転させるものを例示しているが、それに限定されるものではなく、溶射量、溶射速度及び自動溶射装置Ａに接続しているホースのねじれ等の条件が許す範囲で複数回回転した後軌道を切り替えて反転してもよい。

次に、本発明の実施例について述べる。

図３（Ａ）に溶射施工部の断面を、また図３（Ｂ）にその皮膜厚さを測定した位置をそれぞれ示す。直径２４００ｍｍの鋼構造物（図１に示した出口ライナーＦ１）の内壁面に設けられた水平面Ｆ１２の全部（φ２４００ｍｍ〜φ２０６０ｍｍ：１７０ｍｍ幅）を被溶射面として本発明の自動溶射方法を用いた場合と、自動溶射方法を用いずに作業者が溶射する場合（手盛り）について、それぞれ溶射皮膜を施工した後、その皮膜厚さを測定して膜厚分布を調査した。

なお、本実施例で用いた溶射法は、炭化水素／酸素の燃焼エネルギーを熱源とする高速フレーム溶射法であり、被溶射面をブラスト処理した後、溶射粉末材料としてＷＣ−２０mass％Ｎｉ−７mass％Ｃｒを使用した。

また、膜厚測定位置は、次のとおりである。

平面部（１７０ｍｍ幅）φ２４００ｍｍ〜φ２０６０ｍｍ １２点
膜厚目標０．３ｍｍ（許容値０．２〜０．６ｍｍ）
本発明にかかる自動溶射方法により形成された溶射皮膜の最高膜厚は３４３μｍ、最低膜厚は２８４μｍであり、最高膜厚と最低膜厚の差は５９μｍであった。また、手盛りにより形成された溶射皮膜の最高膜厚は５１６μｍ、最低膜厚は２９４μｍであり、最高膜厚と最低膜厚の差は２２２μｍであった。

この結果から明らかなように、本発明の自動溶射方法によって施工された溶射皮膜の膜厚分布の方が手盛りによって施工された溶射皮膜の膜厚分布よりも小さいことが確認された。

本発明にかかる自動溶射方法を適用する自動溶射装置の図である。 図（Ａ）は本発明の自動溶射方法におって円形鋼構造物の内壁水平面を溶射するときの円形の溶射軌道の概略図を、図（Ｂ）は溶射軌道を切り替える位置での溶射膜厚の概略図である。 図（Ａ）は本発明の自動溶射方法によって自動溶射された円形鋼構造物の階段状内壁面（出口ライナー）の溶射施工部を示す図であり、図（Ｂ）はその膜厚測定位置を示す図である。

符号の説明

Ａ 自動溶射装置
１ テーブル
２ 主軸
３ 水平板
４ テーブル昇降モータ
５ 水平板回転モータ
６ シリンダ
７ スピンドル移動モータ
８ 水平移動スピンドル
９ ロータリーアクチュエータ
Ｆ フランシス水車

Claims (5)

1. 円形構造物の軸線を中心として、自動溶射装置に備えられた溶射ガンを回転させて前記円形鋼構造物の内壁面の水平な被溶射面を溶射する自動溶射方法であって、
   前記溶射ガンの溶射円周軌道は前記被溶射面を所定の回転回数−α移動するごとに回転方向を変えるように設定されており、前記溶射ガンを前記溶射軌道に従って繰り返し回転させるとともに溶射することで前記被溶射面に対して連続的に溶射し、
   前記αは、前記溶射ガンによって施工される膜厚によって定められることを特徴とする自動溶射方法。
2. 前記αは前記溶射ガンの移動長さであることを特徴とする請求項１に記載の自動溶射方法。
3. 前記αは前記溶射ガンの溶射材料の溶射量と溶射速度により決定される長さである請求項２に記載の自動溶射方法。
4. 前記αは溶射ガンの溶射軌道の中心角度であることを特徴とする請求項１に記載の自動溶射方法。
5. 前記αは前記被溶射面の内径と前記溶射ガンの溶射量及び溶射速度により決定される中心角度であることを特徴とする請求項４に記載の自動溶射方法。

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