JPH03177556A - レーザ溶射用ノズル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明はレーザ溶射用ノズルに関する。

〈従来の技術〉 線材（ワイヤ）を溶射材とするレーザ溶射法は本出願人
が開発したもので、　　これまでに特開昭６１−２６４
１５８、特開昭６２−１７７１．６６（特許第１５１６
０９２号）　および特開平ｌ−２１５９６１の三件を特
許出願している。

これらの発明において、用いるガスノズルは、円形また
はリング状であるが、二重ノズルではない。

〈発明が解決しようとする課題〉 線材（ワイヤ）を溶射材とするレーザ溶射法において、
溶融部を吹き飛ばして微粒子状にするためのガスを噴出
するノズルは、溶助微粒子をできるだけ高速で被溶射材
（基材）に衝突させるために、その口径を小さくしてガ
ス噴流の速度を大きくする必要がある。口径を太きくす
る程ガスの消耗量が増大することを避けるためにである
。しかしながら、前述の円形またはリング状ノズルだけ
では、噴出するガスの流束の直径が小さいため、以下に
述べるような問題が生じる。その第１は、溶融微粒子群
は、線材の溶融部を頂点とする円錐形状となって飛行す
るが、円錐の頂角が大きくなることである。そのために
、円錐の中心部を飛行する粒子は基材に垂直に衝突して
効率よく溶射膜を形成するが、円錐の周辺部を飛行する
粒子は基材表面に対して斜め方向から衝突するため、基
材に付着せずに跳ね返る粒子が多くなり溶射効率を下げ
ることになる。　　第２には、円錐の周辺部を飛行する
粒子の直径が大きくなることである。その理由は次のよ
うに考えられる。レーザ溶射において、レーザ出力、ガ
ス圧力、線材の送給速度などの溶射パラメータを一定に
すると、溶融粒子の粒径は、一定の値を平均値とする正
規分布になる。

このような粒径分布をする粒子群が、前述したガスの流
束内でとる挙動は、ある粒径以下の粒子はガス流に沿っ
て飛行するが、それより大きい粒子は、線材の溶融部か
ら放出されたときの速度ベクトルと、放出部でのガスの
速度ベクトルとの合成ベクトルをほぼ維持することによ
る。このため、円錐の周辺部を飛行する粒子の直径が大
きくなり、基材を移動させながら溶射膜を形成させよう
とするとき、粗い粒子のうえに細かい粒子が積層される
結果、溶射膜が均一組成にならず、摩耗特性を劣化させ
ることが判明している。すなわち、前述の均一組成では
ない溶射膜と、同じ溶射条件で、周辺部の粗い粒子を除
去した溶射膜とを比較すると、後者の方が優れた耐摩耗
特性を示す。周辺部の粗い粒子を除去するためには、円
錐状に飛行する粒子群の中に、円形の穴をあけた金属板
（マスク）を挿入すれば良いが、マスクに付着する粒子
が多くなるとこれを除去する必要があるとか、また、溶
射効率が悪くなるとかの新たな問題が生じる。本発明者
等は、これらの問題点を解決するためには、ガスを噴出
するノズルに問題があると考えてこの発明に至った。

く問題を解決するための手段〉 この発明のレーザ溶射用ノズルは、溶射材である線材と
その溶融部を微粒子状にして吹き飛ばすためのガスとを
送給するノズルを一体のものとし、かつ、線材の出口の
周囲を二重のリング状のノズルで囲むことを特徴とする
。

〈作用〉 この発明は、レーザ溶射用ノズルのワイヤ出ロズル（内
側ノズル）及びその周囲に設けたノズル（外側ノズル）
にＬ　　それぞれ単独でガス圧力を制御したガス供給装
置からガスが供給さ江　少ないガス消費量で溶融微粒子
の発散を抑え、溶射効率を高めることができる。

（実施例〉 第１図にレーザ溶射用ノズルの断面の概略図を例示する
。　線材（ワイヤ）は、レーザ溶射用ノズルの中心部を
通ってワイヤ出口２から送り出される。内側ガス供給口
５及び外側ガス供給ａ６がら供給されたガスはそれぞれ
内側ノズル３及び外側ノズル４から噴出する。

第２図はこの発明の一実施例を示すもので、この図にお
いて、レーザ溶射用ノズル１から送給された線材（ワイ
ヤ）８は、上記ノズルｌのワイヤ出口を通って、レンズ
等で集束されたレーザ光線７の高エネルギ密度部番ご挿
入される。挿入位置は、必ずしも焦点近傍とは限らず、
ワイヤの種類、線径、供給速度、レーザ出力及びガスの
種類によって適宜選べる。

溶融したワイヤの先端部は内側ノズル３から噴出するガ
ス流によって微粒子状になり、円錐１１の形に分散して
飛行し、基材（被溶射材）９の表面に溶射Ｉ！１０を形
成する。　　この状態の時、外側ノズル４からガスを噴
出させると、飛行粒子の広がり角（２θ）が小さくなり
、飛行粒子が基材に衝突する最大角度（θ）も小さくな
る。　　第２図に示すｄｓは溶射距離で、これが大きく
なると溶射効率が悪くなるが、溶融粒子の広がり角２θ
が小さくなれば効率が良くなることから、２θを小さく
することは、溶射効率を下げずに溶射距離を大きくとる
ことができるという実用上の利点が生じる。

第３図は、レーザ溶射用ノズルの内側ノズルのガス圧力
Ｐｉを５及び８　ｋｇ／ｃｍ’に設定したときに、外側
ノズルから噴出させるガス圧力ＰＯを変えると、溶融微
粒子の広がり角度２θが変化する様子を示すものである
。この場合のレーザ出力はマルチモードタイプの炭酸ガ
スレーザ３ｋＷ、ワイヤは直径０．９１園の工業用純チ
タンワイヤで、その送給速度、三二；Ｉ は２　ｍ／ｍｉｎである。ガスはアルゴンを用いている
。

この図から明らかなように、内側ノズルのガス圧力が５
　ｋｇ／ｃｍ２のとき、外側ノズルからガスを流さない
と、２θは４４度であるが、　　外側ノズルに８ｋｇ７
ｃｍ’の圧力でガスを流すと２０は２３度と約５０％に
なる。内側ノズルのガス圧力を変えた場合にも同様のこ
とがいえ、内側ノズルのガス圧力が小さいほど、外側ノ
ズルの効果の大きいことをこの図は示唆している。

第４図は、直径１０ｍｍのマスクをレーザ光線の中心軸
から、それぞれ３０ｍｍ、２０ｍｍ及び０ｍｍ離して、
飛行粒子の中ｌこ置き、第２図に示した円錐の周辺部を
除去した場合の外側ノズルにかけるガス圧力と溶射効率
との関係を示すものである。ここでＯｍｍとは、すなわ
ちマスクを用いないことを意味する。ガスはアルゴンを
用い、内側ノズルにかけるガス圧力は５ｋｇ／Ｃ１１２
、溶射距離は１００ｍｍである。被溶射材は、表面をサ
ンドブラストした軟鋼板で、その大きさは、縦横９０ｍ
ｍ厚さ３．２ｍｍである。レーザ出力３ｋＷ及び、１こ
・２と１ チタンワイヤの送給条件２ｍ／ｍｌｎは、第３図の場合
と同様である。　　この図から、マスクを用いると溶射
効率は低下するが、外側ノズルにかけるガス圧力をあげ
るにしたがって急速に効率が良くなることは明白である
。マスクを用いない場合は、外側ノズルのガス圧力の増
加に対して、溶射効率はあまり増加しないが、それでも
、外側のガス圧力を１０　ｋｇ／ｃｍ２にすると、ガス
を流さない場合と比較して３％程度効率が増大している
。ただし、図示していないが、溶射距離を１００ｍｍ以
上にすると、効率の差は３％以上になる。

内側ノズルだけの場合、マスクを用いて得た溶射膜の耐
摩耗特性が、用いない場合のものより優れていること、
・及びその原因についてはすでに述べた。さらに、外側
ノズルを併用した場合の溶射膜の摩耗特性を調べた結果
、マスクを用いた場合とほぼ同程度の耐摩耗特性がある
ことを見いだしている。溶射効率と耐摩耗特性とが同時
に改善されるためには、上記円錐の周辺部を飛行する粒
径の大きい粒子が円錐の中心部に押し込められて粒ｌ二
三三三□□□１ 子の広がり角２θが小さくな１−だけではなく、平均粒
径が小さくなっていることを示唆する。そこで、７８射
膜表面の粗さを調べて比較検討した。その結果の一例を
述べると、内側ノズルに５　ｋｇ／ａｍ２の圧力でガス
を供給した場合、同条件でマスクを用いた場合及び外側
ノズルを併用しこれに５　ｋｇ／ａｍ２のガス圧力をか
けた場合、最大表面粗さはそれぞれ、１８０μｍ、１０
０μｍ、１００μｍとなり、二重ノズルの使用によって
、ワイヤから放出される微粒子の直径が小さくなること
が明らかになった。

なお、表面粗さを測定するための試験片の作成条件は、
レーザ出力３ｋＷ、チタンワイヤの供給速度２　ｍ／ｍ
ｉｎ、溶射距離１００　ｍ　ｍとし、被溶射材として表
面をブラスト処理していない厚さ４ｍｍのステンレス鋼
板、ガスとして窒素を用いた。窒素を用いたのは、アル
ゴンを用いて得られるチタンの膜よりも窒素を用いて得
られる窒化チタンの膜の方が、表面がより粗く差が顕著
になるからである。　　また、マスクによって、広がり
角２θが２４度以上の線用の粗い粒子が除去されるよう
にした。

以上述べたように、ワイ゛〒］「漸射材とするレーザ溶
射において、溶融したワイヤを、それに沿って流すガス
流によって微粒子状にして吹き飛ばす隈　飛行する粒子
の速度を大きくし、がっ、ガスの消耗量を小さくするた
めには、ガスノズルの出口断面積を小さくする必要があ
る。その結果、飛行粒子群の広がり角が大きくなるとと
もに、飛行粒子の形成する円錐の周辺部に粒径の大きい
粒子が多くなり、溶射効率の低下及び溶射膜の質の劣化
をもたらす。

マスクによって周辺部の粗い粒子を除去すると溶射膜の
質は良くなるが、溶射効率が悪くなる。

本発明の二重ノズルを備えるレーザ溶射用ノズルによっ
てそれらの問題点を解決することが可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のレーザ溶射用ノズルの概略図、第２図
はこの発明の一実施例図、第３図は本発明の二重ノズル
の効果を、外側ノズルのガス圧力と飛行粒子の発散角度
との関係で示した図、第４図二：二りｌ は外側ノズルのガス圧力と溶射効率の関係を示した図で
ある。 図中、１はレーザ溶射用ノズル、２はワイヤ送給部、３
は内側ガスノズル、４は外側ガスノズル、５は内側ガス
供給口、６は外側ガス供給口、７はレーザ光線、８は線
材（ワイヤ）、９は基材（被溶射材）、■０は溶射膜、
１■は飛行する溶融粒子が形成する円錐、２θは溶融飛
行粒子の広がり角、ｄｓは溶射距離を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 レーザ光線をレンズまたは鏡で収れんして 得られる高エネルギ密度部に、金属等の線材を溶射材と
   して送給して溶融させ、ガス流で溶融部を微粒子状にし
   て吹き飛ばすレーザ溶射法において、線材及びガスを供
   給するためのノズルであって、線材の出口の周囲にガス
   を噴出させるリング状のノズルを二重にして配置するこ
   とを特徴とするレーザ溶射用ノズル。