JP6961903B2 - 溶射ガン - Google Patents

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Description

本発明は、被溶射体に溶射皮膜を形成するための溶射ガンに関する。
溶射装置を用いて行うアーク溶射においては、金属線材からなる一対のワイヤを溶射ガンに送給させつつアーク放電によってワイヤを溶解させる。溶解したワイヤはノズルから噴出するガス流(圧縮ガス)によって被溶射体へ吹き付けられ、当該被溶射体の表面に溶射皮膜が形成される。特許文献1には、このようなアーク溶射を行うための溶射ガンが記載されている。
特許文献1にも記載されているように、従来の溶射ガンにおいて、溶射ガンに送給される一対のワイヤは、溶射ガンの先端に設けられた一対の給電チップを介して送り出される。ノズルは、溶射ガンの先端に設けられており、所定の内部空間を有する。一対の給電チップは、ノズルの内部空間に配置されている。ワイヤは、給電チップに形成された貫通孔に挿通されて、内接触して通電される。一対のワイヤは、一対の給電チップを介して互いが徐々に近接するように送り出され、先端どうしが短絡して発生するアークの熱によって溶融する。その溶滴(溶融金属)にノズル先端のガス噴出孔から噴出するガス流が衝突し、溶融金属が微細化されつつ被溶射体に吹き付けられる。ここで、溶融金属をより微細化することで、緻密な溶射皮膜が形成される。
従来において、たとえば緻密な溶射皮膜を形成するためには、ワイヤの送給量(即ち、送給速度)やアーク電圧等の溶射条件を調整することが一般的に行われていた。しかしながら、ワイヤの送給量を変更すると単位時間当たりのワイヤの溶融量が変化するため、施工時間やワイヤ消費量にバラつきが生じてしまう。そうすると、溶射皮膜が不均一となって、当該溶射皮膜の品質低下を招く虞れがある。
また、緻密な溶射皮膜を形成するための別の方法として、高速気流にアルゴンを用いることが挙げられる(たとえば非特許文献1を参照)。この方法によると、アルゴンガスによるプラズマ流によってアーク熱の温度が上昇する。そのため、溶融ワイヤの微細化が促進される。しかしながら、アルゴンガスを使用する場合、施工コストが上昇する。
特開2003−12251号公報
日本金属学会誌、第63巻、第1(1999)、p.98−102
本発明は、このような事情のもとで考え出されたものであって、溶融したワイヤを効率よく微細化させて緻密な溶射皮膜を形成するのに適した溶射ガンを提供することを主たる課題とする。
上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を採用した。
本発明によって提供される溶射ガンは、一対のワイヤが内部に挿通するガン本体と、上記ガン本体の先端に設けられ、内部空間を有するノズルと、上記内部空間に配置され、上記一対のワイヤを挿通させるための貫通孔を有する一対の給電チップと、上記ガン本体側から上記内部空間に向けて圧縮ガスを供給するためのガス供給路と、を備え、上記ノズルは、基端側から先端側に向かう方向である第1方向を向くガス噴出孔を先端部に有し、上記内部空間には、上記ガス供給路を経た圧縮ガスの流れを妨げる障害物が設けられている。
好ましい実施の形態においては、上記一対の給電チップは、互いの中心軸線が上記第1方向に向かうほど近接し、かつ上記中心軸線どうしが上記ノズルの先端部よりも上記第1方向に離間する位置で交わる交点を有するように配置されており、上記障害物は、上記一対の給電チップそれぞれの上記中心軸線を含む第1平面に交差するように配置される。
好ましい実施の形態においては、上記障害物の上記第1方向における端部である障害物先端部は、上記第1方向において上記給電チップの先端部と上記ノズルの先端部との間に位置しており、上記障害物は、上記一対の給電チップを通過した上記ワイヤが移動する軌跡と干渉しないように配置される。
好ましい実施の形態においては、上記障害物は、プレート状である。
好ましい実施の形態においては、上記障害物は、上記第1平面と直交し、かつ上記第1方向を含む第2平面に沿って配置される。
好ましい実施の形態においては、上記第1方向における上記障害物先端部の位置を調整可能である。
本発明によれば、ガン本体の先端に設けられたノズルの内部空間には、ガス供給路を経た圧縮ガスの流れを妨げる障害物が設けられている。このような構成によれば、障害物の周囲においては、ガスの流路断面積が急激に減少する。したがって、溶射作業時において、ノズル内に圧縮ガスが供給されると、当該圧縮ガスは障害物の近傍を通過する際に流路断面が絞られ、更に圧縮されつつ流速が増大する。そして、障害物の近傍を通過した圧縮ガスは、圧縮波あるいは膨張波となって流速が脈動的に変化しつつ、ガス噴出孔から噴出され、溶融金属に衝突する。一般的に、ガス噴出孔から噴出された圧縮ガスは、圧縮および膨張を繰り返しながら減衰する。従来においては、ガス噴出孔から噴出された圧縮ガスが、溶融金属に衝突して圧縮および膨張を繰り返す過程にて、徐々に溶融金属が微細化される。一方で、本発明の実施の形態においては、ガス噴出孔から噴出される前から、圧縮ガスが圧縮波あるいは膨張波となって流速が脈動的に変化しているため、すぐに溶融金属が微細化されて、緻密な溶射皮膜を形成することができる。
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
本発明に係る溶射ガンを備えた溶射装置の一例を示す概略構成図である。 本発明に係る溶射ガンの一例を示し、溶射ガンの先端側から見た図である。 図2のIII−IIIに沿う部分断面図である。 図2のIV−IVに沿う部分断面図である。 図3の部分拡大図である。 図5の部分拡大図である。 本発明に係る溶射ガンの他の例を示し、図5と同様の断面図である。 図7に示した溶射ガンについて図4と同じ切断面で切断した拡大断面図である。 図7の部分拡大図である。
以下、本発明の好ましい実施形態につき、図面を参照しつつ具体的に説明する。
図1は、本発明に係る溶射ガンを備えた溶射装置の概略構成を示す図である。図2は、本発明に係る溶射ガンの一例を示し、溶射ガンの先端側から見た図である。図3は、図2のIII−III線に沿う断面図である。図4は、図2のIV−IV線に沿う断面図である。
図1に示した溶射装置A1は、被溶射体(図示略)に溶射を行うためのものであり、電源部1と、溶射ガン2と、ガス供給手段3と、一対のプッシュ側ワイヤ送給機4,4と、を備える。
電源部1は、溶射ガン2に電力を供給するものである。電源部1からの電力は、定電圧制御されて給電ケーブル11を介して溶射ガン2に供給され、後述の給電部材213を介して給電チップ22に供給される。
プッシュ側ワイヤ送給機4は、たとえばガイドローラ、送給ローラおよびモータ(いずれも図示略)を備えており、ワイヤリール5に巻き取られたワイヤWを溶射ガン2に向けて送り出すものである。ワイヤリール5は、ワイヤWが収納された機器を示し、たとえば水平方向に延びる軸心回りに回転可能なリールにワイヤWが巻き取られた形態を有しており、回転しながらワイヤWを繰り出すことができる。ワイヤリール5から繰り出されるワイヤWは、たとえばプッシュ側ガイドライナ8によってガイドされて溶射ガン2に至っている。電源部1より供給される溶射電圧とプッシュ側ワイヤ送給機4によるワイヤWの送給速度は、たとえばリモコン6によって設定される。
ガス供給手段3は、溶射ガン2に圧縮ガスを送り込むものであり、たとえばコンプレッサにより噴出された圧縮エアを、溶射ガン2に送り込む。当該コンプレッサから噴出された圧縮ガスは、電源部1に設けられた電磁弁(図示略)により流量および圧力が制御された状態で溶射ガン2に送られる。
溶射ガン2は、ガン本体21と、一対の給電チップ22と、一対のガイドライナ23と、ノズル24と、ガス供給路25と、障害物26と、を備えている。ガン本体21は筒状とされており、プッシュ側ワイヤ送給機4により送給されたワイヤWがガン本体21の内部を通過可能である。このガン本体21には、一対のプル側ワイヤ送給機9が取り付けられている。プル側ワイヤ送給機9は、プッシュ側ガイドライナ8によりガイドされたワイヤWをガン本体21先端側に送給するものである。ガン本体21の先端には、ライナ保持部材211が取り付けられている。ガン本体21の先端にはまた、絶縁部材212が取り付けられている。
給電チップ22は、給電部材213に取り付けられている。給電部材213は、一対の給電チップ22に対応するように対をなして設けられている。より詳細には、給電部材213の先端部には雌ねじが形成され、また、給電チップ22の基端部には雄ねじが形成されており、上記雌ねじに上記雄ねじを螺合することによって給電チップ22が給電部材213に取り付けられる。このようにして、給電チップ22はガン本体21の先端側に着脱可能に設けられている。なお、一対の給電部材213は、絶縁部材212によって支持されており、これら給電部材213間は絶縁状態にある。
一対の給電部材213に形成された一対の雌ねじは、ガン本体21(溶射ガン2)の軸方向に対して傾斜して延びる。そして、図3、図5に表れているように、一対の給電チップ22については、互いの中心軸線O1が溶射ガン2の先端側である方向x(第1方向)に向かうほど近接している。これら中心軸線O1は、ノズル24の先端部よりも方向xに離間する位置で交わっており、当該交点がアーク点Oxとして設定される。
ライナ保持部材211は、先端側においてガイドライナ23の一端を受け入れている。ライナ保持部材211の基端側には、プル側ワイヤ送給機9を通過したワイヤWを挿通させるための貫通孔211aが形成されている。また、給電チップ22は、基端側においてガイドライナ23の他端を受け入れている。給電チップ22先端側には、ガイドライナ23を通過したワイヤWを挿通させるための貫通孔22aが形成されている。ライナ保持部材211の貫通孔211aおよび給電チップ22の貫通孔22aの内径寸法(直径)は、ワイヤWの太さ(横断面外径寸法)に対応する寸法とされており、ワイヤWの横断面外径寸法より少し大きい。即ち、ライナ保持部材211および給電チップ22については、使用するワイヤWの太さが異なると、それに応じて貫通孔211a,22aの直径が異なるものが用いられる。使用するワイヤWの太さ(外形寸法)は、たとえば0.8mm以上である。
ガイドライナ23は、可撓性を有する筒状とされており、ワイヤWを挿通させることによってこのワイヤWを給電チップ22まで案内する機能を果たす。ガイドライナ23を構成する材料としては、ワイヤWの摺動抵抗の小さいものが好ましい。そのような材料としては、たとえばフッ素樹脂などの合成樹脂を挙げることができる。
図3、図4に示すように、ノズル24は、溶射ガン2の先端部分に設けられている。ノズル24は、一対の給電チップ22の先端部を囲う環状とされており、内部空間が後述のガス供給路25につながっている。また、本実施形態において、ノズル24は、溶射ガン2の軸方向に対して直角である面内方向において、一対の給電チップ22の先端部すべてを囲っている。ノズル24は絶縁材料または非絶縁材料を基材に構成され、ノズル24の内面241は、たとえばセラミックス材料などの絶縁材料によってコーティングされている。
本実施形態において、ノズル24の内面形状は、方向xに向かうにつれて上記面内方向における断面積が小さくされており、先端側が窄まっている。また、ノズル24における方向xの先端部には、方向xを向くガス噴出孔242が形成されている。ノズル24の寸法の一例を挙げると、ノズル24の基端部の内径が50〜80mm程度、ノズル24の先端部の内径が5〜8mm程度、ガス噴出孔242の内径が5〜8mm程度である。また、ノズル24の基端部の内径は、ノズル24の先端部の内径の8〜15倍程度である。なお、ノズル24の内面形状については、本実施形態のような先端側が窄まる形状の他にも、種々な形状を採用することができる。
ガス供給路25は、ガン本体21側からノズル24の内部空間に向けて圧縮ガスを供給するための流路である。本実施形態において、ガス供給路25は、絶縁部材212の内部に設けられている。図4に示すように、本実施形態において、ガス供給路25は、分岐して延びる2本の分流路251,252を含む。分流路251,252の下流側端は、ノズル24の内部空間に開放している。
障害物26は、ノズル24内においてガスの流れを妨げるものである。障害物26は、ノズル24の内部空間に配置されており、ガス供給路25を経てノズル24の内部空間に流入する圧縮ガスの流れを妨げる。
障害物26は、たとえばプレート状であり、一対の給電チップ22それぞれの中心軸線O1を含む平面P1(第1平面)と交差するように配置される。本実施形態において、図4、図5から理解されるように、障害物26は、平面P1に直交し、かつ方向Xを含む平面P2(第2平面)に沿って配置される。また、障害物26は、ノズル24の先端寄りに配置されており、障害物26の方向xにおける端部(障害物先端部261)は、方向xにおいて給電チップ22の先端部とノズル24の先端部との間に位置する。図4に示すように、障害物26は、長矩形状であり、ノズル24に着脱可能に取り付けられている。具体的には、障害物26は、たとえばノズル24の内面241において対向して形成された一対の溝243,243に両端部が嵌入した状態にて、ノズル24に支持されている。なお、障害物26は、一対の給電チップ22を通過した各ワイヤWが移動する軌跡と干渉しないように配置される。
障害物26は、絶縁材料からなり、たとえば合成樹脂製である。障害物26は、たとえば耐熱性および耐久性に優れた材料により構成されており、そのような材料としては、たとえばPEEK樹脂(ポリエーテルエーテルケトン)を挙げることができる。ただし、障害物26の材料は合成樹脂に限定されるものではなく、セラミックスなど他の絶縁材料により障害物26を構成してもよい。
なお、障害物26のサイズの一例を挙げると、方向xにおける長さL1が4〜10mm程度、厚さT1が0.5〜2mm程度である(図5参照)。また、ノズル24の先端から障害物26の先端までの長さL2は、たとえば0.5〜2mm程度である。
次に、上記した溶射ガン2および溶射装置A1を用いて被溶射体に溶射を行う手順について説明する。
溶射装置A1を用いて溶射作業を行う際には、作業者が図1に示す溶射ガン2に設けられたスタートスイッチ7を押してON状態にすると、プッシュ側ワイヤ送給機4およびプル側ワイヤ送給機9によって溶射ガン2に一対のワイヤWが送給される。送給されたワイヤWは、ガン本体21内を通り、次いでライナ保持部材211、ガイドライナ23内を進む。そして、ワイヤWは、ガイドライナ23によってガイドされながら給電チップ22へ送られ、給電チップ22に接触しながら中心軸線O1に沿ってアーク点Oxに向かう。
溶射ガン2には電源部1によって電力が供給される。ワイヤWが給電チップ22に接触することにより、給電部材213から給電チップ22を介してワイヤWに電力供給される。そして、一対の給電チップ22から送り出された一対のワイヤWがアーク点Oxで短絡することによって、一対のワイヤWの先端間にアークが発生し、溶滴が生じる。
溶射ガン2にはまた、ガス供給手段3からの圧縮ガスが送り込まれる。当該圧縮ガスは、ガス供給路25(分流路251,252)を通過し、ノズル24の内部空間に流れ込む。ガス供給路25を流れる圧縮ガスの流量は、たとえば800〜1800L/min程度である。また、ノズル24の内部空間へ流入する圧縮ガスの流速は、当該内部空間への流入時において10〜40m/sec程度である。
ノズル24内を流れるガスは、ノズル24の内部空間を通過してノズル24の先端に到達し、ガス噴出孔242から外部に噴出される。当該噴出されたガスは、ワイヤWの先端のアークに吹き付けられ、溶融金属が液滴や微粒子状となって被溶射体の表面に溶射皮膜が形成される。
そして、溶射作業を終了するときに、作業者が、溶射ガン2のスタートスイッチ7を開放してOFF状態にする。そうすると、圧縮ガスの噴出が停止されるとともに、一対のワイヤWの送給および電力供給が停止されて、溶射作業が終了する。
次に、本実施形態の作用について説明する。
本実施形態においては、ガン本体21の先端に設けられたノズル24の内部空間には、ガス供給路25を経た圧縮ガスの流れを妨げる障害物26が設けられている。このような構成によれば、障害物26の周囲においては、ガスの流路断面積が急激に減少する。したがって、ノズル24内に圧縮ガスが供給されると、当該圧縮ガスは障害物26の近傍を通過する際に流路断面が絞られ、更に圧縮されつつ流速が増大する。
ここで、図6に示した、障害物26(障害物先端部261)とワイヤWとの隙間C1を通過する圧縮ガス(矢印N1で示す)の流速の変化が、特に大きくなる。そして、障害物26の近傍を通過した圧縮ガスは、圧縮波あるいは膨張波となって流速が脈動的に変化しつつ、ガス噴出孔242から噴出され、溶融金属に衝突する。このように圧縮波あるいは膨張波となった圧縮ガスの噴射により溶融金属が微細化されて、緻密な溶射皮膜を形成することができる。
本実施形態において、障害物26は、一対の給電チップ22それぞれの中心軸線O1を含む平面P1に交差するように配置されている(図5参照)。このような構成によれば、障害物26の厚さ方向の両側それぞれにおいて、給電チップ22あるいはワイヤWとの間に隙間が形成される。このような隙間が形成されることにより、圧縮ガスの加速と圧縮波の生成が促進される。
障害物26はプレート状とされている。このような構成によれば、障害物26は、ノズル24の内面241に形成された溝243等に嵌めることで当該ノズル24に容易に取り付けることができる。したがって、平面P1と交差するように配置する障害物26の形状として、プレート状は適した形状である。
障害物先端部261は、方向xにおいて給電チップ22の先端部とノズル24の先端部との間に位置する。このような構成によれば、ノズル24の先端縁の近傍において、障害物先端部261と一対のワイヤWとの間に隙間C1が形成される。これにより、圧縮ガスが隙間C1を通過することにより生成する圧縮波は、殆ど減衰することなく溶融金属に到達する。このことは、溶融金属の微細化を促進するのに適する。
また、障害物26は、一対の給電チップ22を通過した各ワイヤWが移動する軌跡と干渉しないように配置される。このような構成によれば、先端縁の近傍において一対のワイヤWの送給が阻害されることはなく、被溶射体表面に形成される溶射皮膜の品質が安定する。
障害物26は、平面P1と直交し、かつ方向xを含む平面P2に沿って配置される。このような構成によれば、障害物26の厚さ方向の両側において、一対のワイヤWとの間の隙間C1を略均等に形成することができる。これにより、圧縮ガスが隙間C1を通過することにより生成される圧縮波や膨張波については偏りが少なく、溶射被膜の品質の向上を図ることができる。
図7、図8は、本発明に係る溶射ガンの他の例を示している。なお、図7以降の図においては、上記実施形態と同一または類似の要素には、上記実施形態と同一の符号を付しており、適宜説明を省略する。
本実施形態の溶射ガン2においては、障害物26の構成が上記実施形態と異なっている。図8によく表れているように、本実施形態において、障害物26の先端側には、切欠き262が形成されている。その一方、障害物26のうち、ノズル24の一対の溝243,243に嵌入される両端部263,263については、方向xにおける長さが図4、図5等に示したものと同一である。これにより、障害物26は、ノズル24の内部空間に位置する部位(切欠き262が形成された領域)において、障害物26の方向xにおける長さL1が図4、図5等に示したものよりも短い。そして、ノズル24の先端から障害物先端部261までの長さL2は、図4、図5等に示したものよりも長い。本実施形態の障害物26は、上記実施形態における障害物26から付け替えて使用することが可能である。
本実施形態において、図4〜図6等に示した上記実施形態の場合と同じ溶射条件(ワイヤの送給速度、圧縮ガスの供給態様や電力供給態様が同一)で溶射作業を行う。このとき、図9に示した、障害物26(障害物先端部261)とワイヤWとの隙間C1を通過する圧縮ガス(矢印N1で示す)の流速の変化が、大きくなる。障害物26の近傍を通過した圧縮ガスは、圧縮波あるいは膨張波となって流速が脈動的に変化しつつ、ガス噴出孔242から噴出され、溶融金属に衝突する。このように圧縮波あるいは膨張波となった圧縮ガスの噴射により溶融金属が微細化されて、緻密な溶射皮膜を形成することができる。
一方、図6(上記実施形態)と図9(本実施形態)とを比較するとよく理解できるように、本実施形態(図9)においては、上記実施形態(図6)よりも、障害物26(障害物先端部261)とワイヤWとの隙間C1が大きい。このため、本実施形態においては、隙間C1の形成位置におけるガス流路断面の減少の度合いが上記実施形態の場合よりも小さく、隙間C1を通過した後の圧縮ガスの流速が少し遅くなる。その結果、ガス噴出孔242から噴出される圧縮ガスによって微細化される溶融金属については、本実施形態では上記実施形態よりも微細化の度合いが弱く、溶融金属の粒子サイズが相対的に大きくなる。
本実施形態(図9)において上記実施形態(図6)よりも障害物26(障害物先端部261)とワイヤWとの隙間C1が大きいことは、ノズル24の先端から障害物先端部261までの長さL2が相対的に長いことに起因する。プレート状の障害物26については、本実施形態のものと上記実施形態のものとを付け替えることにより、方向xにおける障害物先端部261の位置を調整可能である。そして、方向xにおける障害物先端部261の位置調整することにより、溶融金属の微細化の度合いを調節することができる。このことは、溶射被膜の品質向上を図るうえで、より好ましい。
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明の範囲は上記した実施形態に限定されるものではなく、各請求項に記載した事項の範囲内でのあらゆる変更は、すべて本発明の範囲に包摂される。
上記実施形態において、障害物26はプレート状とされていたが、障害物の形状はこれに限定されない。また、障害物は、上記実施形態のようなノズルに着脱可能に取り付けられる構成に限定されるものではなく、たとえばノズルに対して容易に取り外しできないように固定されていてもよい。さらに、障害物は、ノズルと一体的に形成されたものであってもよい。
A1 溶射装置
1 電源部
11 給電ケーブル
2 溶射ガン
21 ガン本体
211 ライナ保持部材
211a 貫通孔
212 絶縁部材
213 給電部材
22 給電チップ
22a 貫通孔
23 ガイドライナ
24 ノズル
241 内面
242 ガス噴出孔
243 溝
25 ガス供給路
251 分流路
252 分流路
26 障害物
261 障害物先端部
262 切欠き
263 端部
3 ガス供給手段
4 プッシュ側ワイヤ送給機
5 ワイヤリール
6 リモコン
7 スタートスイッチ
8 プッシュ側ガイドライナ
9 プル側ワイヤ送給機
C1 隙間
O1 中心軸線
Ox アーク点(交点)
P1 平面(第1平面)
P2 平面(第2平面)
W ワイヤ
x 方向(第1方向)

Claims (4)

  1. 一対のワイヤが内部に挿通するガン本体と、
    上記ガン本体の先端に設けられ、内部空間を有するノズルと、
    上記内部空間に配置され、上記一対のワイヤを挿通させるための貫通孔を有する一対の給電チップと、
    上記ガン本体側から上記内部空間に向けて圧縮ガスを供給するためのガス供給路と、を備え、
    上記ノズルは、基端側から先端側に向かう方向である第1方向を向くガス噴出孔を先端部に有し、
    上記内部空間には、上記ガス供給路を経た圧縮ガスの流れを妨げる障害物が設けられており、
    上記一対の給電チップは、互いの中心軸線が上記第1方向に向かうほど近接し、かつ上記中心軸線どうしが上記ノズルの先端部よりも上記第1方向に離間する位置で交わる交点を有するように配置されており、
    上記障害物は、上記一対の給電チップそれぞれの上記中心軸線を含む第1平面に交差するように配置されており、
    上記障害物の上記第1方向における端部である障害物先端部は、上記第1方向において上記給電チップの先端部と上記ノズルの先端部との間に位置しており、
    上記障害物は、上記一対の給電チップを通過した上記ワイヤが移動する軌跡と干渉しないように配置される、溶射ガン。
  2. 上記障害物は、プレート状である、請求項に記載の溶射ガン。
  3. 上記障害物は、上記第1平面と直交し、かつ上記第1方向を含む第2平面に沿って配置される、請求項に記載の溶射ガン。
  4. 上記第1方向における上記障害物先端部の位置を調整可能である、請求項1ないし3のいずれかに記載の溶射ガン。
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