JPH10195627A

JPH10195627A - アーク溶射方法とその装置

Info

Publication number: JPH10195627A
Application number: JP9013435A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Fujimura; 浩史藤村; Eizo Ide; 栄三井手; Hiroshi Notomi; 啓納富; Yasuyuki Takeda; 恭之武田; Hideharu Kobayashi; 秀晴小林
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1997-01-09
Filing date: 1997-01-09
Publication date: 1998-07-28

Abstract

(57)【要約】【課題】交流電源を用いた場合でもアークを安定に維
持することが出来、アーク不安定に基づく施工の中断、
選定条件範囲の制限、溶射膜の欠陥発生など不具合を解
消することが出来るアーク溶射に関する発明。【解決手段】３本以上のワイヤをアーク発生位置で集
束するように所定角度で送給するとともに、いずれの時
点でも少なくとも２本のワイヤ間でアークが発生するよ
うに、少なくとも３本のワイヤに三相交流電力を給電さ
せることを特徴とし、これによりワイヤ先端電極間に発
生するアークは、３本のワイヤ間、あるいは重心位置の
ワイヤと３本のワイヤ間の隣接する夫々２本のワイヤ間
にそれぞれ発生するが、図４及び図８より明らかなよう
にいかなる場合も少なくとも２個のアークが存在する。
このため、電極の温度が高温に維持されるとともに、電
離ガスも常時供給されるので、残る１アークが容易に再
点孤し本発明の効果が円滑に達成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はアーク溶射法とその
装置に係り、特に装飾、防食、あるいは導電膜、電極、
触媒膜、フィルタなどの物理的、化学的特性を付与する
為のアーク溶射方法、若しくはアークを利用した金属粉
末製造装置に適用されるアーク溶射方法とその装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】アーク溶射法は複数本の線材（ワイヤ）
を電極とし、先端間にアークを発生させて前記線材を溶
融し同時に圧縮空気ジェットで吹飛ばして被膜を形成す
る技術である。

【０００３】かかるアーク溶射法の従来技術を図９によ
り説明する。図９（Ａ）はアーク溶射トーチの平面図、
図９（Ｂ）は側面図、図９（Ｃ）は正面図で、部材の符
号、名称、機能は後記実施例と共通して使用される。１
はトーチ匡体で内部が見えるように切り欠いて示してい
る。１１はトーチ匡体の一部である絶縁材料製のマウン
ト部、２０、２１はマウント部１１に固定された給電チ
ップ、３０、３１は駆動ローラ、４０、４１は従動ロー
ラ、５はトーチ匡体１に固定されたモータで、前記駆動
ローラ３０、３１を駆動回転させながら従動ローラ４
０、４１とともにワイヤ７０、７１をアークが発生する
交差位置に給送を行う。６はマウント部１１の中心軸線
上に沿って固定された圧縮ガスを噴出させるパイプ、７
０、７１は溶射材料を針金状に加工したワイヤ、８０、
８１はトーチ１とは別に設置されたワイヤリール、９は
給電チップにアーク電圧を印加するアーク電源、１０は
圧縮ガスボンベ、１Ａはトーチ匡体の一部であるハンド
ルである。

【０００４】かかる装置において、ワイヤリール８０、
８１からのワイヤ７０、７１は、モータ５によって駆動
される駆動ローラ３０、３１と従動ローラ４０、４１に
よって挟圧輸送されて給電チップ２０、２１に導かれ、
トーチ１前方の中心軸線上のアーク発生位置で互いに交
差する。このとき、アーク電源９によって給電チップ２
０、２１を介してワイヤ７０、７１に電力が供給される
と、ワイヤ交差部にアークが発生する。ワイヤ７０、７
１先端電極はアーク熱により順次溶融するので、適正な
電力とワイヤ供給速度を選ぶことによって、アークを持
続させることが出来る。

【０００５】この際、パイプ６によって、ガスボンベ１
０からの高圧ガスをマウント部１１側よりワイヤ交差部
のアークに吹き付ければ、溶融した金属が溶滴となって
前方に飛翔し、対象物表面に堆積して溶射層を形成す
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】かかる従来装置におい
て、図９に示したアーク電源９には直流電源と、交流電
源があるが、直流電源は整流回路が余分に必要であるた
めに価格が高くなりがちで、しかも、アークの特性上、
陰極ワイヤの溶融速度が陽極のそれに比べて大きくなる
傾向がある。この傾向は電流値が大きくなるに従って顕
著になるので、低電流域で使用するか、大電流で使用す
る場合は、図９の駆動ローラ３０、３１の直径に差を付
けたり、モータ５をもう一系列増やして別個に制御する
とかの対策が必要である。

【０００７】これに対し、交流電源は価格も安く、二本
のワイヤ７０，７１の溶融速度も平均化されるために、
前記直流電源の問題点は無くなるが、アークが不安定に
なるという重大な欠点である。次に交流電源を使用した
場合のアーク溶射時の電圧波形とアーク発生状態の関係
を図１０及び図１１で説明する。図１１は、電圧の時間
変化を横軸電圧、縦軸時間で示したもので、いわゆる単
相交流の正弦波である。これに対し、図１０は図９
（Ｂ）の中央付近の一対の給電チップ２０、２１とワイ
ヤ７０、７１を模式的に示したもので、符号（Ａ）〜
（Ｅ）は図１１の単相正弦波の各印加時点に相当する。

【０００８】印加時点（Ａ）では、ワイヤ７０、７１間
に電圧がかかっているためにアーク７５が発生している
が、電圧の低下とともにアーク７５も小さくなり、電圧
が零になる印加時点（Ｂ）に至る前にアーク７５は消滅
する。次に印加時点（Ｂ）を過ぎるとワイヤ７０、７１
間には逆の電圧がかかり、アーク７５が再点孤し、電圧
の上昇にともなってアーク７５も大きくなり、印加時点
（Ｃ）の状態になる。以下（Ｄ）、（Ｅ）は前記作用の
繰り返しである。

【０００９】このように、単相交流の正弦波をアーク電
源として給電チップ２０、２１を介してワイヤ７０、７
１に印加した場合、交流アークは周波数の２倍の回数で
点滅を繰り返すが、各点滅サイクル毎にアークが完全に
消孤してしまうために再点孤は必ずしも確実に達成され
るものではなく、再点孤を確実にするには電極（ワイヤ
７０、７１先端）が熱電子放出に充分なほど高温である
こと、電極（ワイヤ７０、７１先端）の周辺に電離した
ガスが存在すること等がアーク再点孤に必要であるとい
われている。

【００１０】ところが、アーク溶射の場合、溶融した金
属を溶滴として吹き飛ばすために、パイプ６を設け、圧
縮ガスをアーク発生点に向けて噴出させている。このた
め、前記電極が冷却されるとともに、アーク熱により生
成した電離ガスも吹き飛ばされるために、アーク再点孤
には非常に不都合な環境であり、アーク不安定に基づく
施工の中断、選定条件範囲の制限、溶射膜の欠陥発生な
ど不具合が多く発生していた。

【００１１】本発明はかかる技術的課題に鑑み、前記交
流電源を用いた場合でもアークを安定に維持することが
出来、アーク不安定に基づく施工の中断、選定条件範囲
の制限、溶射膜の欠陥発生など不具合を解消することが
出来るアーク溶射法とその装置を提供する事を目的とす
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明はかかる技術的課
題を解決するために、請求項１の発明は、電圧を印加し
た複数本の金属ワイヤの先端交差部付近でアークを発生
させ、該アークにより溶融した金属を圧縮空気その他の
気体流を利用して対象物に吹き付けることによって被膜
を形成するアーク溶射法において、３本以上のワイヤを
アーク発生位置で集束するように所定角度で送給すると
ともに、いずれの時点でも少なくとも２本のワイヤ間で
アークが発生するように、少なくとも３本のワイヤに三
相交流電力を給電させることを特徴とするものである。

【００１３】請求項２記載の発明は前記発明を効果的に
具体化するための装置に関する発明で、電圧を印加した
複数本の金属ワイヤの先端交差部付近でアークを発生さ
せ、該アークにより溶融した金属を圧縮空気その他の気
体流を利用して対象物に吹き付けることによって被膜を
形成するアーク溶射装置において、アーク発生位置で集
束するように、所定角度で送給される３本以上のワイヤ
と、三相交流の各線路にワイヤを接続した状態で前記３
本以上のワイヤに三相交流電力を給電させる給電手段と
からなることを特徴とするものである。

【００１４】即ち本発明は一般的には３本の金属ワイヤ
でアーク溶射装置を構成する場合と４本の金属ワイヤで
アーク溶射装置を構成する場合とに分けられる。前者の
場合は、略正三角形の頂点に配置した３個の給電チップ
から、３本のワイヤを１点（アーク発生位置）で交わる
ような角度で集束する方向に送給するとともに、この３
本のワイヤに夫々の給電チップを介して三相交流の各線
路を接続して給電する。

【００１５】又後者の場合は、概略正三角形の頂点と重
心に配置した４個の給電チップから、４本のワイヤを１
点（アーク発生位置）で交わるような角度で送給すると
同時に、この重心位置にあるワイヤと周辺の３本のワイ
ヤに三相交流を給電する。給電方法は周辺の３本のワイ
ヤには三相交流の各線路を接続し、重心位置にあるワイ
ヤは星形結線された三相交流電源の中性点θに結線する
か若しくは接地電位とするのがよい。

【００１６】かかる発明によれば図３〜図４若しくは図
７〜図８で詳細に示されるように前記のように３本若し
くは４本のワイヤに三相交流を給電すると、ワイヤ先端
電極間に発生するアークは、３本のワイヤ間、あるいは
重心位置のワイヤと３本のワイヤ間の隣接する夫々２本
のワイヤ間にそれぞれ発生するが、図４及び図８より明
らかなようにいかなる場合も少なくとも２個のアークが
存在する。

【００１７】このため、電極の温度が高温に維持される
とともに、電離ガスも常時供給されるので、残る１アー
クが容易に再点孤する。また、３本若しくは４本のワイ
ヤ先端電極は、同等の交流電力によって溶融するので、
溶融速度は等しく、ワイヤ送給に特別の装置や制御を必
要としない。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の好
適な実施例を例示的に詳しく説明する。但し、この実施
例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その
相対的配置等は特に特定的な記載がないかぎりは、この
発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明
例にすぎない。

【００１９】図１及び図２は３本の金属ワイヤを用いた
本発明の実施形態に係るアーク溶射装置を示し、図１
（Ａ）はアーク溶射トーチの平面図、図１（Ｂ）は側面
図、図２（Ａ）は正面図、図２（Ｂ）は給電チップにア
ーク電圧を印加するアーク電源の結線部の構成を示し、
図中、１はトーチ匡体、１Ａはトーチ匡体の一部である
ハンドル、５はトーチ匡体１に固定されたモータ、６は
マウント部１１中心軸上に沿って固定された圧縮ガス噴
出パイプ、１０は圧縮ガスボンベでこれらは図９の従来
技術と共通する。

【００２０】２０、２１、２２はマウント部１１に固定
された給電チップ、３０、３１、３２は駆動ローラ、４
０、４１、４２は従動ローラで、前記モータ５により、
前記駆動ローラ３０、３１、３２を駆動回転させながら
従動ローラ４０、４１、４２とともにワイヤ７０、７
１、７２を同一速度で給送を行う。７０、７１、７２は
溶射材料を針金状に加工したワイヤ、８０、８１、８２
はトーチとは別に設置されたワイヤリール、９は三相交
流電源である。

【００２１】三相交流電源９の結線状況は図２（Ｂ）に
示すように、Δ形環状結線を構成し、２０、２１、２２
は略正三角形の頂部に配設された給電チップで、前記三
相交流電源のΔ形環状結線の夫々の線路に接続されてい
る。７０、７１、７２はワイヤで、圧縮ガス噴出パイプ
６の延長線、即ちマウント１１の中心軸延長線上で集束
／交差するように、給電チップ２０、２１、２２の角度
位置を設定している。

【００２２】かかる実施形態の作用を図３及び図４で説
明する。図４は、三相交流電源を使用した場合のアーク
溶射時の電圧波形とアーク発生状態の関係を示したもの
で、各ワイヤ間の電圧の時間変化を横軸電圧、縦軸時間
で描いており、１２０°位相のずれた正弦波の重なりと
して表わされる。αはワイヤ７０−７１間の電圧、βは
ワイヤ７１−７２間の電圧、γはワイヤ７２−７０間の
電圧を示すものとする。これに対し、図３は図１（Ｂ）
の中央付近の給電チップ２０、２１、２２とワイヤ７
０、７１、７２との関係を模式的に示したもので、符号
（Ａ）〜（Ｆ）及び（Ａ’）〜（Ｆ’）は図４の同符号
における三相交流電源の印加時点に相当する。

【００２３】印加時点（Ａ）では、ワイヤ７０−７１間
は電圧零であり、アークは消滅しているが、ワイヤ７１
−７２間、ワイヤ７２−７０間には電圧が印加されてい
るためにアークが発生している。次に印加時点（Ｂ）で
は、ワイヤ７０−７１間にも電圧がかかるので、アーク
が再点孤して３本のワイヤ間全てにアークが発生する。
また更に、印加時点（Ｃ）ではワイヤ７２−７０間の電
圧が零になってアークが消滅するが、印加時点（Ｄ）で
は再点孤している。

【００２４】このように、三相交流による３電極７０、
７１、７２間のアークは順次消滅、再点孤を繰り返す
が、いずれの時点でも２個以上のアークが存在してお
り、ワイヤ７０、７１、７２は３本共電極として活動し
ているので、熱電子放出に必要な温度は維持されてお
り、近傍のアークからは電離したガスが常時供給されて
いるので再点孤は極めて円滑に行なわれる。このため、
圧縮ガスの流量、流速を増してもアークは途切れること
無く、安定した溶射を持続することができる。

【００２５】従って本実施形態によれば、ワイヤ溶融量
を増大するため、溶射の能率を飛躍的に改善することが
出来る。また、溶滴の飛翔速度が増すために、溶射膜と
対象物との密着度の向上や、溶射膜内のポロシティの極
小化も達成される。

【００２６】図５及び図６は４本の金属ワイヤを用いた
本発明の実施形態に係るアーク溶射装置を示し、図５
（Ａ）はアーク溶射トーチの平面図、図５（Ｂ）は側面
図、図５（Ｃ）はそのノズル部の要部拡大図、図６
（Ａ）は正面図、図６（Ｂ）は給電チップにアーク電圧
を印加するアーク電源の結線部の構成を示し、１、１
１、５、６、１０、１１は図１〜図２及び図９で説明し
たものと名称、機能とも同一であるので説明を省略す
る。２０、２１、２２は正面図でほぼ正三角形の頂点位
置でマウント部１１に固定された給電チップ、２３は図
６（Ａ）の正面図で正三角形の重心位置に設けられた給
電チップで、圧縮ガス噴出パイプ６内に同心状に貫通さ
せて配設している。この結果圧縮ガス噴出パイプ６より
の圧縮ガスは給電チップ２３の外周側よりアーク位置に
向けて噴出するように構成されている。３０、３１、３
２は駆動ローラでいつでも同一軸に固定、駆動される。
４０、４１、４２は従動ローラで駆動ローラ３０、３
１、３２に対応する。

【００２７】３３は別に設けられた駆動ローラ、４３は
別に設けられた従動ローラ、５１は別に設けられた駆動
モータで駆動ローラ３３を駆動回転させながら従動ロー
ラ４３とともにワイヤ７３の給送を行う。駆動ローラ３
０、３１、３２と駆動ローラ４３の駆動用モ−タ５と５
１を別置きにしたのはワイヤ７３は略正三角形の重心線
上に、ワイヤ７０、７１、７２はほぼ正三角形の頂部に
夫々配設され、アーク発生位置に対応する略正三角形の
重心線上で交差するように配設されている為に、ワイヤ
７３は、ワイヤ７０、７１、７２より僅かに遅い給送速
度に設定する必要がある為であり、これにより精度よく
交差位置単位時間当たり同一長さ分だけ徐々に給送され
ることになる。

【００２８】この結果前記モータ５、５１により、前記
駆動ローラ３０、３１、３２、３３を駆動回転させなが
ら従動ローラ４０、４１、４２、４３とともにワイヤ７
０、７１、７２、７３を同一長さ分だけ順次滑らかに給
送されることとなる。

【００２９】さて７０、７１、７２、７３は溶射材料を
針金状に加工したワイヤ、８０、８１、８２、８３はト
ーチとは別に設置されたワイヤリール、９は三相交流電
源である。

【００３０】三相交流電源９の結線状況は図６（Ｂ）に
示すように、星形結線を構成された三相交流電源で、図
６（Ｂ）の２０、２１、２２は略正三角形の頂部に配設
された給電チップ、２３は略正三角形の重心位置に設け
られた給電チップで、２０、２１、２２の給電チップは
前記三相交流電源の星形結線の夫々の線路に接続され、
又２３の給電チップは星形結線のの中性点θに接続され
ている。７０、７１、７２、７３は前記した金属ワイヤ
で、略正三角形の重心位置と合致する圧縮ガス噴出パイ
プ６の延長線、即ちマウント１１の中心軸延長線上で集
束／交差するように、給電チップ２０、２１、２２、２
３の角度位置を設定している。

【００３１】かかる実施形態の作用を図７及び図８で説
明する。図７及び図８は、星型結線されている三相交流
電源を使用した場合のアーク溶射時の電圧波形とアーク
発生状態の関係を示したもので、図８は、中性点θに電
気的に接続されたワイヤ７３と星型結線の夫々の結線に
接続された各ワイヤ７０、７１、７２間の電圧の時間変
化を横軸電圧、縦軸時間で描いており、夫々の結線の交
流波形は１２０°位相のずれた正弦波の重なりとして表
わされる。図８のαはワイヤ７０−７３間の電圧、βは
ワイヤ７１−７３間の電圧、γはワイヤ７２−７３間の
電圧を示すものとする。これに対し、図７は図５
（Ｂ）、（Ｃ）の給電チップ２０、２１、２２、２３と
ワイヤ７０、７１、７２、７３を模式的に示したもの
で、図７及び図８の符号（Ａ）〜（Ｆ）及び（Ａ'）〜
（Ｆ'）は図８の同符号時点に相当する。

【００３２】三相交流電源の印加時点（Ａ）では、ワイ
ヤ７０−７３間は電圧零であり、アークは消滅している
が、ワイヤ７１−７３間、ワイヤ７２−７３間には電圧
がかかっているためにアークが発生している。次に印加
時点（Ｂ）では、ワイヤ７０−７３間にも電圧がかかる
ので、アークが再点孤して３本のワイヤ間全てにアーク
が発生する。またさらに、印加時点（Ｃ）ではワイヤ７
２−７３間の電圧が零になってアークが消滅するが、印
加時点（Ｄ）では再点孤している。

【００３３】このように、三相交流による４つのワイヤ
電極７０〜７３間のアークは順次消滅、再点孤を繰り返
すが、いずれの時点でも２個以上のアークが存在してお
り、ワイヤ７０、７１、７２は３本共印加電極として又
ワイヤ７３は接地電極として夫々活動しているので、熱
電子放出に必要な温度は維持されており、近傍のアーク
からは電離したガスが常時供給されているので再点孤は
極めて円滑に行なわれる。このため、圧縮ガスの流量、
流速を増してもアークは途切れること無く、安定した溶
射を持続することができる。

【００３４】従って本実施形態によれば、ワイヤ溶融量
を増大するため、溶射の能率を飛躍的に改善することが
出来る。また、溶滴の飛翔速度が増すために、溶射膜と
対象物との密着度の向上や、溶射膜内のポロシティの極
小化も達成される。

【００３５】

【発明の効果】以上記載のごとく本発明によれば、前記
交流電源を用いた場合でもアークを安定に維持すること
が出来、アーク不安定に基づく施工の中断、選定条件範
囲の制限、溶射膜の欠陥発生など不具合を解消すること
が出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１及び図２は３本の金属ワイヤを用いた本発
明の実施形態に係るアーク溶射装置を示し、（Ａ）はア
ーク溶射トーチの平面図、（Ｂ）は側面図を示す。

【図２】図１の対応図で（Ａ）は正面図、（Ｂ）は給電
チップにアーク電圧を印加するアーク電源の結線部の構
成を示す。

【図３】図１の実施形態の作用を示し、図１（Ｂ）の中
央付近の給電チップとワイヤとの関係を模式的に示した
もので、符号（Ａ）〜（Ｆ）及び（Ａ'）〜（Ｆ'）は図
４の同符号における三相交流電源の印加時点に相当す
る。

【図４】図１の実施形態の作用を示し、三相交流電源を
使用した場合のアーク溶射時の電圧波形とアーク発生状
態の関係を示す。

【図５】図５及び図６は４本の金属ワイヤを用いた本発
明の実施形態に係るアーク溶射装置を示し、（Ａ）はア
ーク溶射トーチの平面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）はそ
のノズル部の要部拡大図を示す。

【図６】図５の対応図で（Ａ）は正面図、（Ｂ）は給電
チップにアーク電圧を印加するアーク電源の結線部の構
成を示す。

【図７】図５の実施形態の作用を示し、図５（Ｂ）の中
央付近の給電チップとワイヤとの関係を模式的に示した
もので、符号（Ａ）〜（Ｆ）及び（Ａ’）〜（Ｆ’）は
図８の同符号における三相交流電源の印加時点に相当す
る。

【図８】図５の実施形態の作用を示し、三相交流電源を
使用した場合のアーク溶射時の電圧波形とアーク発生状
態の関係を示す。

【図９】従来技術に係るアーク溶射装置を示し、（Ａ）
は平面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は正面図である。

【図１０】図８の従来技術の作用を示し、図９（Ｂ）の
中央付近の給電チップとワイヤとの関係を模式的に示し
たもので、符号（Ａ）〜（Ｅ）は図１１の同符号におけ
る単相交流電源の印加時点に相当する。

【図１１】図９の従来技術の作用を示し、単相交流電源
を使用した場合のアーク溶射時の電圧波形とアーク発生
状態の関係を示す。

【符号の説明】

１トーチ筐体１１マウント部２０、２１、２２、２３給電チップ３０、３１、３２、３３駆動ローラ４０、４１、４２、４３従動ローラ、５モータ６圧縮ガス噴出パイプ７０、７１、７２、７３ワイヤ８０、８１、８２、８３ワイヤリール９電源１０ガスボンベ１Ａハンドル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者武田恭之長崎市深堀町五丁目717番１号三菱重工業株式会社長崎研究所内 (72)発明者小林秀晴長崎市深堀町五丁目717番１号三菱重工業株式会社長崎研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電圧を印加した複数本の金属ワイヤの先
端交差部付近でアークを発生させ、該アークにより溶融
した金属を圧縮空気その他の気体流を利用して対象物に
吹き付けることによって被膜を形成するアーク溶射法に
おいて、３本以上のワイヤをアーク発生位置で集束するように所
定角度で送給するとともに、いずれの時点でも少なくと
も２本のワイヤ間でアークが発生するように、少なくと
も３本のワイヤに三相交流電力を給電させることを特徴
とするアーク溶射方法。
【請求項２】電圧を印加した複数本の金属ワイヤの先
端交差部付近でアークを発生させ、該アークにより溶融
した金属を圧縮空気その他の気体流を利用して対象物に
吹き付けることによって被膜を形成するアーク溶射装置
において、アーク発生位置で集束するように、所定角度で送給され
る３本以上のワイヤと、三相交流の各線路にワイヤを接続した状態で前記３本以
上のワイヤに三相交流電力を給電させる給電手段とから
なることを特徴とするアーク溶射装置。