JPH05468B2 - - Google Patents
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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。[Detailed description of the invention] <Industrial application field> This invention relates to a nozzle for laser thermal spraying.
＜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
−264168、特開昭62−177166（特許第1516092号）
および特開平１−215961の三件を特許出願してい
る。<Prior art> The laser spraying method using wire as a spraying material was developed by the applicant and has been published in Japanese Patent Application Laid-Open No.
-264168, JP-A-62-177166 (Patent No. 1516092)
and JP-A-1-215961.
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。 In these inventions, the gas nozzle used is
Circular or ring-shaped, but not double nozzle.
＜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、溶融微粒子をでき
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。口径を大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、噴出するガスの流速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
形状となつて飛行するが、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
ガス流に沿つて飛行するが、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つた。<Problems to be Solved by the Invention> In a laser thermal spraying method using a wire as a thermal spraying material, a nozzle that ejects gas to blow away the molten part and make it into fine particles sprays the molten fine particles onto the material to be thermally sprayed as quickly as possible. In order to collide with the (base material), it is necessary to reduce the diameter and increase the velocity of the gas jet. This is to prevent the amount of gas consumed from increasing as the diameter increases. However, with only the circular or ring-shaped nozzle described above, the diameter of the ejected gas flow rate is small, so
The following problems arise. The first is
The molten particles fly in a conical shape with the molten part of the wire as the apex, and the apex angle of the cone becomes large. For this reason, particles flying in the center of the cone collide perpendicularly to the base material and form a sprayed film efficiently, but particles flying around the periphery of the cone collide with the base material surface from an oblique direction. , more particles bounce back without adhering to the substrate, reducing thermal spraying efficiency. Second, the diameter of particles flying around the periphery of the cone increases. The reason may be as follows. In laser thermal spraying, when thermal spraying parameters such as laser output, gas pressure, and wire feeding speed are held constant, the particle diameter of molten particles becomes a normal distribution with a constant value as the average value.
The behavior of particles with such a particle size distribution within the gas flux mentioned above is that particles with a certain particle size or less fly along the gas flow, but particles larger than that fly in the molten part of the wire. This is done by approximately maintaining the composite vector of the velocity vector of the gas when it is released from the gas and the velocity vector of the gas at the discharge section. For this reason,
As the diameter of the particles flying around the cone increases, and when trying to form a sprayed film while moving the substrate, finer particles are stacked on top of the coarser particles, resulting in a sprayed film with a uniform composition. However, it has been found that the wear characteristics deteriorate. That is,
Comparing the aforementioned thermal sprayed film with a non-uniform composition and a thermal sprayed film in which coarse particles at the periphery have been removed under the same thermal spraying conditions, the latter exhibits superior wear resistance. In order to remove coarse particles from the periphery, a metal plate (mask) with circular holes can be inserted into a group of particles flying in a conical shape. New problems arise, such as the need to remove the metal and the deterioration of thermal spraying efficiency. In order to solve these problems, the present inventors have arrived at the present invention, believing that there is a problem with the nozzle that ejects the gas.
＜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。<Means for Solving the Problems> The laser thermal spraying nozzle of the present invention integrates a wire rod as a thermal spraying material and a nozzle for feeding a gas for blowing off the molten part of the wire into fine particles, and It is characterized by a double ring-shaped nozzle surrounding the exit of the wire.
＜作用＞
この発明は、レーザ溶射用ノズルのワイヤ出口
周囲に設けた二重ノズルすなわちワイヤに近いノ
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）には、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れ、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。<Function> This invention applies gas pressure independently to the double nozzle provided around the wire exit of the laser spray nozzle, that is, the nozzle near the wire (inner nozzle) and the nozzle provided around it (outer nozzle). Gas is supplied from a controlled gas supply device, which reduces the amount of gas consumed, suppresses the dispersion of molten particles, and increases thermal spraying efficiency.
＜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
ルの中心部を通つてワイヤ出口２から送り出され
る。内側ガス供給口５及び外側ガス供給口６から
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。<Example> FIG. 1 illustrates a schematic cross-sectional view of a laser spray nozzle. The wire is sent out from the wire outlet 2 through the center of the laser spray nozzle. The gases supplied from the inner gas supply port 5 and the outer gas supply port 6 are ejected from the inner nozzle 3 and the outer nozzle 4, respectively.
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１のワイヤ
出口を通つて、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に挿入される。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
によつて適宜選べる。 FIG. 2 shows an embodiment of the present invention. In this figure, a wire 8 fed from a laser spray nozzle 1 passes through the wire outlet of the nozzle 1 and is focused by a lens or the like. The laser beam 7 is inserted into the high energy density part of the laser beam 7. The insertion position is not necessarily near the focal point, and can be selected as appropriate depending on the type of wire, wire diameter, supply speed, laser output, and type of gas.
溶融したワイヤの先端部は内側ノズル３から噴
出するガス流によつて微粒子状になり、円錐１１
の形に分散して飛行し、基材（被溶射材）９の表
面に溶射膜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。 The tip of the molten wire is turned into fine particles by the gas flow ejected from the inner nozzle 3, forming a cone 11.
The sprayed film 10 is formed on the surface of the base material (material to be sprayed) 9 by flying in a dispersed manner. In this state, when gas is ejected from the outer nozzle 4, the spread angle 2θ of the flying particles becomes smaller, and the maximum angle θ at which the flying particles collide with the base material also becomes smaller. ds shown in Figure 2 is the spraying distance, and as this increases, the spraying efficiency deteriorates, but as the spread angle 2θ of the molten particles decreases, the efficiency improves, so reducing 2θ does not reduce the spraying efficiency. This has the practical advantage of allowing a longer thermal spraying distance.
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８Kg／cm2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0.9mmの工業用純チタンワイヤで、その送
給速度は２ｍ／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５Kg／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８Kg／cm2の圧力でガスを流すと２θ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。 Figure 3 shows that when the gas pressure Pi of the inner nozzle of the laser spray nozzle is set to 5 and 8 kg/cm 2 ,
This figure shows how the spread angle 2θ of the molten particles changes when the gas pressure Po ejected from the outer nozzle is changed. The laser output in this case was a multi-mode carbon dioxide laser of 3 kW, the wire was an industrial pure titanium wire with a diameter of 0.9 mm, and the feeding speed was 2 m/min. Argon is used as the gas. As is clear from this figure, when the gas pressure at the inner nozzle is 5 Kg/cm 2 , 2θ is 44 degrees if no gas flows from the outer nozzle, but when gas is supplied to the outer nozzle at a pressure of 8 Kg/cm 2 , 2θ is 44 degrees. When flowing, 2θ becomes 23 degrees, about 50%. The same thing can be said when changing the gas pressure of the inner nozzle, and this figure suggests that the smaller the gas pressure of the inner nozzle, the greater the effect of the outer nozzle.
第４図は、直径10mmのマスターをレーザ光線の
中心軸から、それぞれ30mm、20mm及び０mm離し
て、飛行粒子の中に置き、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
圧力を溶射効率との関係を示すものである。ここ
で０mm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／cm2、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90mm厚さ3.2mmである。
レーザ出力3kW及びチタンワイヤの送給条件２
ｍ／min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つ
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10Kg／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。 Figure 4 shows the outer nozzle when a master with a diameter of 10 mm is placed in the flying particles at a distance of 30 mm, 20 mm, and 0 mm from the central axis of the laser beam, respectively, and the peripheral part of the cone shown in Figure 2 is removed. This shows the relationship between the gas pressure applied and thermal spraying efficiency. Here, 0 mm means that no mask is used. Argon was used as the gas, the gas pressure applied to the inner nozzle was 5 kg/cm 2 , and the spraying distance was 100 mm. The material to be thermally sprayed is a mild steel plate with a sandblasted surface, and its dimensions are 90 mm in length and width and 3.2 mm in thickness.
Laser output 3kW and titanium wire feeding conditions 2
m/min is the same as in the case of FIG. From this figure, it can be seen that using a mask reduces the spraying efficiency, but
It is clear that efficiency increases rapidly as the gas pressure applied to the outer nozzle is increased. When a mask is not used, the thermal spraying efficiency does not increase much with respect to the increase in gas pressure at the outer nozzle. However, when the outer gas pressure is set to 10 Kg/cm 2 , the spray efficiency increases by 3% compared to when no gas flows. % efficiency has increased. However, although not shown in the figure, when the spraying distance is 100 mm or more, the difference in efficiency becomes 3% or more.
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
子の広がり角２θが小さくなるだけではなく、平
均粒径が小さくなつていることを示唆する。そこ
で、溶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５Kg／cm2
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５Kg／
cm2のガス圧力をかけた場合、最大表面粗さはそれ
ぞれ、180μｍ、100μｍ、100μｍとなり、二重ノ
ズルの使用によつて、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つた。 It has already been mentioned that in the case of only the inner nozzle, the abrasion resistance properties of the thermally sprayed film obtained using a mask are superior to those obtained without it, and the reasons for this. Furthermore, as a result of investigating the abrasion characteristics of the sprayed film when an outer nozzle is used in combination, it has been found that the abrasion resistance is almost the same as when a mask is used. In order to improve thermal spraying efficiency and wear resistance properties at the same time, it is necessary not only to force the particles with large diameters flying around the periphery of the cone into the center of the cone and to reduce the spread angle 2θ of the particles, but also to This suggests that the average particle size is becoming smaller. Therefore, we investigated and compared the roughness of the sprayed coating surface. To give an example of the results, 5Kg/cm 2 was applied to the inner nozzle.
When gas is supplied at a pressure of
When a gas pressure of cm 2 was applied, the maximum surface roughness was 180 μm, 100 μm, and 100 μm, respectively, indicating that the diameter of the particles ejected from the wire was reduced by using a dual nozzle. .
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２ｍ／min、溶射距離100mm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、マスクによつて、広がり角2θが24度以
上の範囲の粗い粒子が除去されるようにした。 The test specimen preparation conditions for measuring surface roughness were as follows: laser output: 3 kW, titanium wire supply speed: 2 m/min, spraying distance: 100 mm, and a 4 mm thick specimen with an unblasted surface was used as the material to be thermally sprayed. A stainless steel plate was used, and nitrogen was used as the gas. Nitrogen was used because a titanium nitride film obtained using nitrogen has a rougher surface and the difference is more noticeable than that of a titanium film obtained using argon. In addition, the mask removed coarse particles with a spread angle 2θ of 24 degrees or more.
以上述べたように、ワイヤを溶射材とするレー
ザ溶射において、溶融したワイヤを、それに沿つ
て流すガス流によつて微粒子状にして吹き飛ばす
際、飛行する粒子の速度を大きくし、かつ、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。 As mentioned above, in laser thermal spraying using wire as a thermal spraying material, when the molten wire is blown off into fine particles by a gas flow flowing along it, the speed of the flying particles is increased and the gas is In order to reduce the amount of consumption, it is necessary to reduce the exit cross-sectional area of the gas nozzle. As a result, the spread angle of the flying particles increases, and particles with large diameters increase in the periphery of the cone formed by the flying particles, resulting in a decrease in thermal spraying efficiency and deterioration in the quality of the sprayed film.
マスクによつ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。 Removing coarse particles at the periphery with a mask improves the quality of the sprayed film, but reduces spraying efficiency.
本発明の二重ノズルを備えるレーザ溶射用ノズ
ルによつてそれらの問題点を解決することが可能
となつた。 It has become possible to solve these problems with the laser thermal spray nozzle provided with the dual nozzle of the present invention.
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）、１０は溶射膜、１１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。
Fig. 1 is a schematic diagram of the laser thermal spray nozzle of the present invention, Fig. 2 is a diagram of an embodiment of the invention, and Fig. 3 shows the effect of the double nozzle of the present invention on the gas pressure of the outer nozzle and the flow of flying particles. FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the gas pressure of the outer nozzle and the thermal spraying efficiency. In the figure, 1 is a laser thermal spray nozzle, 2 is a wire feeding section, 3 is an inner gas nozzle, 4 is an outer gas nozzle, 5 is an inner gas supply port, 6 is an outer gas supply port,
7 is the laser beam, 8 is the wire, 9 is the base material (sprayed material), 10 is the sprayed film, 11 is the cone formed by the flying molten particles, 2θ is the spread angle of the molten flying particles, ds is the spraying Show distance.
Claims (1)
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つて、
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。1. In the laser thermal spraying method, a wire rod such as metal is fed as a thermal spray material to a high energy density area obtained by converging a laser beam with a lens or mirror and melted, and the molten area is turned into fine particles and blown away by a gas flow.
A nozzle for supplying wire and gas,
A laser thermal spraying nozzle characterized by having a double ring-shaped nozzle that spouts gas around the exit of a wire rod.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1316926A JPH03177556A (en) | 1989-12-06 | 1989-12-06 | Nozzle for laser beam thermal spraying |
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| JP1316926A JPH03177556A (en) | 1989-12-06 | 1989-12-06 | Nozzle for laser beam thermal spraying |
Publications (2)
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| JPH03177556A JPH03177556A (en) | 1991-08-01 |
| JPH05468B2 true JPH05468B2 (en) | 1993-01-06 |
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-
1989
- 1989-12-06 JP JP1316926A patent/JPH03177556A/en active Granted
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| Publication number | Publication date |
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| JPH03177556A (en) | 1991-08-01 |
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