JP5751408B2 - プラズマ溶射方法及びプラズマ溶射装置 - Google Patents

Description

本発明は、ワイヤを溶射ガンに送給しつつ溶射ガン先端付近でプラズマアークを発生させ、このプラズマアークの熱により溶融するワイヤの溶融金属を被溶射物に向けて噴射するプラズマ溶射方法及びプラズマ溶射装置に関する。

従来のプラズマ溶射装置としては、例えば下記特許文献１に記載されたものが知られている。この溶射装置は、プラズマガスを吐出するノズルと、ノズル内に配置してある陰極との間に、ノズル側を陽極として高周波、高電圧を付与してパイロットアークを発生させる。

発生したパイロットアークは、ノズル内を流れるプラズマガス流に乗ってノズルと同様の陽極となっているワイヤへ移行してプラズマアークを形成する。このプラズマアークの熱によってワイヤが溶融するとともに、溶融したワイヤの溶融金属がプラズマガス流によって被溶射部物に吹き付けられる。

米国特許第５９３８９４４号

ところで、上記した従来の溶射装置にあっては、プラズマアークを発生させた後に、ワイヤをノズル側方からノズル中心に向けて前進移動させている。すなわち、この場合には、パイロットアークがワイヤに移行してプラズマアークが発生した時点では、ワイヤは停止したまま先端が溶融することになり、このためプラズマアークの先端側が溶融したワイヤの先端に引張られるようにして側方に変位してしまう。

その結果、この状態でワイヤが溶融すると、溶融金属がノズル前方の本来のプラズマジェットの流れから外れた方向へ吹き飛ばされて側方の電極など他箇所に付着、堆積し、この堆積物が離反して被溶射物に溶射されることになって不良品の発生を招く。また、ノズルに付着した堆積物によってプラズマガスの流れ方向が変化して溶射方向が変わり、必要とする箇所に溶射されずに不良品の発生を招く。

そこで、本発明は、プラズマ溶射による不良品発生を抑えることを目的としている。

本発明は、ワイヤを、その先端がノズルの前方位置にある状態で前進移動させつつ供給し、この供給状態でプラズマアークを発生させてワイヤの先端を溶融させ、プラズマアーク発生後のワイヤの移動速度を、移動開始時より高くすることを特徴とする。

本発明によれば、プラズマアークの発生時には、ワイヤの先端は既にノズル前方位置にあるので、プラズマアークはこの前方位置に向けて形成されて側方への変位を抑制でき、プラズマ溶射による不良品発生を抑えることができる。

本発明の一実施形態に係わるプラズマ溶射装置の全体構成図である。 図１のプラズマ溶射装置のノズル部周辺を拡大して示す構成図である。 図１のプラズマ溶射装置の動作を示すフローチャートである。 図１のプラズマ溶射装置の動作を（ａ）、（ｂ）と順を追って示す動作説明図である。 図１のプラズマ溶射装置の動作を図４に続いて（ｃ）、（ｄ）と順を追って示す動作説明図である。 図１のプラズマ溶射装置のワイヤ供給速度変化を示すグラフである。 比較例のプラズマ溶射装置による動作説明図で、（ａ）はプラズマアークがコンタクトチップ側に変位した状態、（ｂ）はコンタクトチップに形成された堆積物によって溶射方向が変化した状態、をそれぞれ示す。 他の比較例のプラズマ溶射装置による動作説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１に示すように、本発明の一実施形態に係わるプラズマ溶射装置は、ガン本体１から下方に突出して設けてある溶射ガン３の先端部分から、側方の被加工物５の被加工面５ａに向けて溶射金属の噴流７を吹き付け皮膜を形成する。なお、ここでの被加工物５は、一例としてエンジンのシリンダブロックとしてあり、被加工面５ａはシリンダボアである。

ガン本体１及び溶射ガン３には、ワイヤ収容容器９に収容してある鉄系金属材料からなるワイヤ１１が、ワイヤ供給手段としてのワイヤ送給部１３を経て順次供給される。ワイヤ送給部１３は、駆動部としてのワイヤ送りモータ１５（図２参照）と、ワイヤ送りモータ１５によって回転する送りローラ１７を備え、送りローラ１７の回転によってワイヤ１１を移動させる。ワイヤ送りモータ１５は、制御手段としての制御コントローラ１９によって駆動制御される。

溶射ガン３は、その基端部（図１中で上端部）を、ガン本体１のハウジング２１内の底部に回転可能に設けてある回転支持部２３に連結している。回転支持部２３には、隔壁２５を隔ててハウジング２１内に設けてあるガン回転用モータ２７を、連結ベルト２９を介して連結している。

回転支持部２３の中心にはワイヤ１１を移動可能に挿入してあり、回転支持部２３はこのワイヤ１１を中心として回転し、ワイヤ１１は回転しない。溶射ガン３は回転支持部２３の回転中心に対して偏心した位置に取り付けてあり、したがって、溶射ガン３はワイヤ１１を中心としてその周囲を旋回するようにして回転する。また、この回転する溶射ガン３の先端を除く周囲を囲むようにして円筒形状のカバー３０をハウジング２１の下部に取り付けている。

回転支持部２３の上部には、ガス導入部３１を設けてあり、このガス導入部３１に、プラズマ用ガスボンベ３３及びアトマイズ用エアボンベ３５から、プラズマ用ガス及びアトマイズ用エアをそれぞれ供給して溶射ガン３の先端から噴出させる。したがって、図１では特に図示していないが、ガス導入部３１から回転支持部２３及び溶射ガン３にわたり、プラズマ用ガス及びアトマイズ用エアがそれぞれ流れるプラズマ用ガス流路及びアトマイズ用エア流路を形成してある。

ここで、ガス導入部３１内の図示しないプラズマ用ガス流路及びアトマイズ用エア流路と、ガス導入部３１に対して回転する回転支持部２３内の図示しないプラズマ用ガス流路及びアトマイズ用エア流路とをそれぞれ連通させる必要がある。

この場合の連通構造としては、例えばガス導入部３１内のプラズマ用ガス流路及びアトマイズ用エア流路の各下端部を環状通路とし、この環状通路に、回転支持部２３内の上下に延びるプラズマ用ガス流路及びアトマイズ用エア流路の上端をそれぞれ連通させることが考えられる。これにより、回転支持部２３がガス導入部３１に対して回転しても、回転支持部２３内のプラズマ用ガス流路及びアトマイズ用エア流路とガス導入部３１内のプラズマ用ガス流路及びアトマイズ用エア流路とがそれぞれ常時連通することになる。

溶射ガン３は、先端（下端）のカバー３０から突出した部分に、ノズル３７を備えており、このノズル３７は、図２に示すように、吐出口３９が溶射ガン３の回転中心軸線（ワイヤ１１の長さ方向）に対してほぼ直交する方向に指向している。

ノズル３７は、中心部にプラズマ用ガスが流れるプラズマ用ガス吐出通路４１を備え、プラズマ用ガス通路４１の周囲にアトマイズ用エアが流れるアトマイズ用エア吐出通路４３を複数形成している。プラズマ用ガス吐出通路４１及びアトマイズ用エア吐出通路４３は、前記した図示しないプラズマ用ガス流路及びアトマイズ用エア流路にそれぞれ連通している。

プラズマ用ガス吐出通路４１は、先端側ほど内径が小さくなるよう先細の円錐形状に形成してあり、この円錐形状の外周側に沿ってアトマイズ用エア吐出通路４３を形成している。すなわち、ノズル３７の吐出口３９は、プラズマ用ガス吐出通路４１の先端の中心部に位置するプラズマ用ガス吐出口４１ａと、その周囲にて円周方向に沿ってほぼ等間隔に複数形成された、アトマイズ用エア吐出通路４３の先端のアトマイズ用エア吐出口４３ａとを備えている。

プラズマ用ガス吐出通路４３の中心には電極として陰極４５を配置してあり、この陰極４５と陽極となるノズル３７との間に、電力供給部としての電源装置４７により高電圧が印加される。ワイヤ１１のノズル３７付近には、ノズル３７と同様の陽極となるコンタクトチップ４９を設けてあり、このコンタクトチップ４９は、溶射ガン３（ノズル３７）に一体となるよう取り付けてあるものとする。したがって、コンタクトチップ４９は、ノズル３７の回転に伴って回転しつつワイヤ１１に対して電気的に導通することになる。

なお、ワイヤ１１は、コンタクトチップ４９とハウジング２１との間で、図示しないワイヤガイドによってガイドされて前方で順次送られる。

電源装置４７と陰極４５との間には、高周波発生部としての高周波発生装置５１を接続しており、この高周波発生装置５１と電源装置４７とでプラズマ発生手段を構成している。

次に、図３〜図６を用いて作用を説明する。まず、制御コントローラ１９が、プラズマ発生オン信号とワイヤ供給オン信号とを同時に出力する（ステップＳ１）。これにより、ワイヤ送りモータ１５が駆動してワイヤ１１の供給が図６の時間Ｔ１にて開始される（、図４（ａ））。このとき、図６に示すように、ワイヤ１１の送り速度Ａは、第１の速度である３ｍ／ｍｉｎと低速としている。なお、このとき、プラズマ用ガス及びアトマイズ用エアは、あらかじめノズル３７先端のプラズマ用ガス吐出口４１ａ及びアトマイズ用エア吐出口４３ａからそれぞれ吐出しているものとする。

その後、電源装置４７から高周波発生装置５１に対し高周波・高電圧駆動信号を出力し（ステップＳ２）、これにより陰極４５と、ノズル３７におけるプラズマ用ガス通路４１の内壁との間にパイロットアーク５３（図２参照）が発生する。発生したパイロットアーク５３は、プラズマガス流に乗ってワイヤ１１の先端に移行し、図４（ｂ）に示すように、図６の時間Ｔ２にてプラズマアーク５５となる。

プラズマアーク５５が発生する時点では、ワイヤ１１は、ほぼ図４（ａ）の位置から、図４（ｂ）に示すように、先端がノズル３７の中心線５７を僅かに越えた状態となっている。このため、プラズマアーク５５は、ノズル３７の中心線５７に沿った状態で、陰極４５とワイヤ１１の先端付近との間に形成されることになる。

この状態で、ワイヤ１１の先端がプラズマアーク５５の熱により溶融し、図５（ａ）に示すように、その溶滴５９が、プラズマガス流及びアトマイズエア流によって流され、前記した噴流７となって被溶射面５ａに吹き付けられて皮膜を形成する。

速度Ａの低速でワイヤ１１が移動している間は、ワイヤ移動速度に対しプラズマの熱量が過多となるので、図５（ａ）に示すように、プラズマアーク５５内のワイヤ１１は、溶融により徐々に短くなっていく。

そして、このプラズマアーク５５の発生を、電源装置４７が備えているプラズマ発生検出器（検流計）６１が検出し、この検出信号をプラズマ発生確認信号として制御コントローラ１９に出力する（ステップＳ３）。制御コントローラ１９は、プラズマ発生確認信号を受けて、ワイヤ送りモータ１５を低速から高速となるよう駆動信号を出力し（ステップＳ４）、これに伴いワイヤ送りモータ１５は図６の時間Ｔ２にて高速での駆動を開始する。このワイヤ１１の高速での送り速度Ｂは、図６に示すように第２の速度となる１０ｍ／ｍｉｎとしている。

ワイヤ１１の送り速度Ｂが高速になると、図５（ｂ）に示すように、送り速度Ｂとプラズマアーク５５の熱量とのバランスが取れた定常状態となり、この定常状態で、溶射ガン３を回転させつつ下降させることで、被溶射面５ａに溶射皮膜が形成される。

このように、本実施形態では、ワイヤ１１を、低速の送り速度Ａで移動させてノズル３７の前方位置とした状態で、プラズマアーク５５を発生させ、その後ワイヤ１１の移動速度を通常速度となるよう高めるようにしている。これにより、プラズマアーク５５の発生時には、ワイヤ１１の先端はノズル３７の前方の中心線５７にほぼ対応した位置となり、プラズマアーク５５はこの前方位置に向けて形成されてコンタクトチップ４９側への変位を抑制できる。

これに対し比較例として図７（ａ）に示すように、プラズマアーク５５０を発生させた後に、ワイヤ１１０の供給を開始する場合には、プラズマアーク５５０が発生した時点では、ワイヤ１１０は停止したまま先端の溶融が進行することになる。このため、プラズマアーク５５０の先端側がワイヤ１１０に引張られるようにして側方のコンタクトチップ４９０側に変位してしまう。

その結果、この状態でワイヤ１１０が溶融すると、溶融金属が本来のプラズマジェットの流れから外れた方向へ吹き飛ばされてコンタクトチップ４９０周辺に付着、堆積し、この堆積物１００がやがて離反して被溶射物に溶射されることになって不良品の発生を招く。

また、図７（ｂ）に示すように、コンタクトチップ４９０に付着した堆積物１００によってガスの流れ方向が変化し、溶射方向が本来の破線位置から実線位置のようにノズル３７０の中心からずれるように変化してしまい、被溶射物の必要な箇所に溶射されず不良品の発生を招くことになる。

また、図８の比較例のように、ワイヤ１１０をあらかじめノズル３７０を越えた位置まで供給しておいてプラズマアーク５５０を発生させる場合には、プラズマアーク５５０が発生するまでに多くのワイヤ１１０が供給されることになってワイヤ１１０の消費量が多くなるとともに、余剰ワイヤ１１０ａの被溶射物への付着による不良品が発生する。

一方、本実施形態では、プラズマアーク５５は、発生時にノズル３７の前方位置に向けて形成されてコンタクトチップ４９側への変位を抑制しているので、図６のような堆積物１００のコンタクトチップ４９への付着を抑えることができる。その結果、図４（ｂ）に示すように、プラズマアーク５５はノズル３７の前方位置にて中心線５７を中心としたほぼ円錐形状に広がり、被溶射面５ａに対して均一な皮膜を形成でき、よってプラズマ溶射による不良品発生を抑えることができる。

また、プラズマアーク５５０の側方への変位を避けるために、図８のように、あらかじめワイヤ１１０を充分供給しておいてから、プラズマアーク５５０を発生させる場合のような余剰ワイヤ１１０ａの発生も抑えることもできる。

また、本実施形態では、制御コントローラ１９が、ワイヤ送りモータ１５及び電源装置４７に対して同時に起動信号を出力するようにしている。これにより、ワイヤ送りモータ１５が駆動してワイヤ１１の供給が開始された後に、電源装置４７からの要求信号によって高周波発生装置５１が遅れて作動し、プラズマアーク５５をワイヤ１１の送り動作に遅れて発生させることができる。

なお、上記実施形態では、ワイヤ１１を送り速度Ａの低速で供給開始した時間Ｔ１からプラズマアーク５５が発生する時間Ｔ２までの時間（間隔）を、２０ｍｓｅｃ〜１００ｍｓｅｃとすることで、図６に示したような堆積物１００のコンタクトチップ４９０への付着を回避することができた。また、プラズマアーク５５が発生するまでのワイヤ１１の低速での送り速度Ａについては、３ｍ／ｍｉｎに限らず、１．５〜６．０ｍ／ｍｉｎの範囲で堆積物１００の発生を抑えることができた。

３ 溶射ガン
５ 被溶射物
１１ ワイヤ
１５ ワイヤ送りモータ（駆動部、ワイヤ供給手段）
１７ 送りローラ（ワイヤ供給手段）
１９ 制御コントローラ（制御手段）
３７ ノズル
４５ 陰極（電極）
４７ 電源装置（電力供給部、プラズマ発生手段）
５１ 高周波発生装置（高周波発生部、プラズマ発生手段）
５５ プラズマアーク

Claims (4)

1. 溶射用材料となるワイヤを溶射ガン先端のノズル前方に向けて供給し、このワイヤをノズル内の電極とワイヤとの間に発生したプラズマアークの熱により溶融させた溶融金属を、被溶射物に向けて噴射するプラズマ溶射方法であって、前記ワイヤを、その先端が前記ノズルの前方位置にある状態で第１の速度で前進移動させつつ供給し、この供給状態で前記プラズマアークを発生させて前記ワイヤの先端を溶融させ、前記プラズマアーク発生後の前記ワイヤの移動速度を、移動開始時の前記第１の速度より高い第２の速度とすることを特徴とするプラズマ溶射方法。
2. 前記ワイヤを供給するワイヤ供給手段が、ワイヤを移動させる駆動部を備えるとともに、前記プラズマアークを発生させるプラズマ発生手段が、電力供給部と、この電力供給部から電力の供給を受けて高周波を発生する高周波発生部とを備え、制御手段が、前記駆動部及び前記電力供給部に対して同時に起動信号を出力することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ溶射方法。
3. 溶射用材料となるワイヤを溶射ガン先端のノズル前方に向けて供給し、このワイヤをノズル内の電極とワイヤとの間に発生したプラズマアークの熱により溶融させた溶融金属を、被溶射物に向けて噴射するプラズマ溶射装置であって、前記ワイヤを前進移動させつつ供給するワイヤ供給手段と、前記ノズル内の電極とワイヤとの間にプラズマアークを発生させるプラズマ発生手段と、このプラズマ発生手段及び前記ワイヤ供給手段を駆動制御する制御手段とを有し、この制御手段は、前記ワイヤが第１の速度で前進移動しつつ供給を開始し、ワイヤの先端が前記ノズルの前方位置にある状態で前記プラズマアークが発生し、このプラズマアーク発生後前記ワイヤの移動速度が、前記供給開始時の前記第１の速度より高い第２の速度となるように、駆動制御することを特徴とするプラズマ溶射装置。
4. 前記ワイヤ供給手段は、ワイヤを移動させる駆動部を備えるとともに、前記プラズマ発生手段は、電力供給部と、この電力供給部から電力の供給を受けて高周波を発生する高周波発生部とを備え、前記制御手段は、前記駆動部及び前記電力供給部に対して同時に起動信号を出力することを特徴とする請求項３に記載のプラズマ溶射装置。

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