JPS60106983A - 工作物をプラズマジエツトによつて清浄にする方法と装置 - 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】 発　明　の　背　景 この発明はプラズマジェット装置、更に具体的に云えば
、心電基板から汚染物を掃除づるのに有効なプラズマジ
ェット装置に関する。

プラズマジエン１〜装置はＳ電基板に被覆を適用する為
に使われて来た。こういうプラズマジェット装置では、
例えばヘリウムとアルゴンの混合物の様な不活性ガスの
流れを横切るアークを維持する。このアークが不活性ガ
スを電離して加熱し、電離ガス又はプラズマの流れを発
生し、この流れが典型的には間口を介して導電性の工作
物に差し向けられる。米国特許第３，１７９，７８３号
には、工作物の面に被覆しようとする粉末をプラズマジ
ェットに注入するプラズマジェット装置が記載されてい
る。工作物はプラズマジェット装置の前側電極に対して
正の電位に保たれ、その間に伝達アークを形成する。こ
のアークが電離したプラズマジェット並びにそれに巻込
まれた粉末を高速で基板を叩く様に促り。伝達アークの
助けを借りて高温のプラズマが衝突することにより、基
板が加熱される。粉末は高温プラズマ中にあることによ
って加熱されて溶融し、溶融した粒子が加熱された基板
に高速で衝突して、その上に被覆を形成する。

この米国特許には、基板の面を硬化する為の高エネルギ
火花放電を周期的に作り出１為に、１作物に対して高圧
パルスを印加することが記載されている。この米国特許
に記載された例では、基板はこの様な処理によって加工
硬化することの出来る軟鋼である。更にこの米国特許に
は、２つの電源の何れかに逆転した極性を使うこと、並
びに交流又は交直複合を使うことも記載されているが、
そのパラメータや効果については記載されていない。

米国特許第４，１６２，３８９号には、滑らかさを改善
すると共に溶接ビードの滲透を少なくづる為に陰極ター
ゲットを使うことが記載されている。この米国特許は清
浄化作用については何も述べていない。

米国特許第４，３２８，２５７号には、例えばガスタ−
ビンの羽根又はパケットに使われる様な超合金基板に保
護材料をプラズマ被覆する装置と方法が記載されている
。プラズマ被覆作業では、印加電圧によって工作物を陽
極にするが、この作業の前に清浄にする作業を行ない、
この時印加電圧によって工作物を陰極にする。清浄化作
業の間、小さなアークの末端にある陰極スポットが工作
物の面を横切る。陰極スポットの移動は、アーク自体に
よって発生される電界及び磁界と、プラズマ・ガン及び
工作物の複雑な運動の助けとによって生じ、こうしてこ
の合金の面から汚染物を選択的に除去する。

この発明の装Ｕ並びに方法の作用を、特定の理論によっ
て拘束づるつもりはないが、陰極となる工作物の面を清
浄にすることは、例えばインターナショナル・ニッケル
合金ｌＮ７３８の様な超合金の表面汚染物、特にこうい
う超合金の酸化物は、実質的な誘電率を持つ薄い絶縁層
であることに依存していると考えられる。十分な大きさ
を持つ電界がこの薄い絶縁層を横切って印加されると、
表面汚染物中には、電界放出によって放電電流を開始り
−るのに−１−分な誘電体の電界が発生されると考えら
れる。負に帯電した工作物上の陰極スポットに終端する
非常に多数のアークが観測される。少なくとも理論的に
は、電界及び磁界によって自発的に誘起された陰極スポ
ットの運動は、プラズマ・ガン及び工作物の相対的な運
動の助けにより、アーク並びにそれに関連した陰極スポ
ットが工作物の面の上を十分高速で移動し続けるように
し、汚染物の層が除去されて、その下にある工作物の金
属基板が清浄にされても、その運動が十分高速であると
共に十分連続的であることによって、基板の過熱並びに
その結果上る損傷を防止する筈である。

この発明では、前掲米国特許第４，３２８，２５７号の
装置並びに方法で清浄にする為に使われるアークが、時
として、過度に長い時間の間、ｍ名、即ち、１箇所にと
ずまり、こうして基板の局部的な溶融及び過熱を生ずる
ことを観測した。これは、特にパケットの後縁又は先端
の様に薄い断面の近辺で、点食、材料の目減り並びに危
険な程高い温度を招く惧れがある。清浄化過程の間、ア
ークによる損傷が疑われる場合、過度の材料の目減り並
びに／又はひず割れがあるかどうが、工作物を手作業で
検査しな１ノればならない。こういう損傷が起っていれ
ば、パケットをスクラップにする以外に方法がない。超
合金のパケットは高価な品物であり、清浄化作業は殆Ｉ
υど製造サイクルの終りで、パケットに労働並びに材料
の点ぐかなりの投資をした時に起るから、製造過程のこ
ういう遅い段階でのスクラップ率を下げ又はなくす手段
があれば、歓迎される。

発明の目的と概要 従つＣ１この発明の目的は、従来の決定を解決したプラ
ズマアーク装■を用いて基板を清浄にする方法と装置を
提供することである。

この発明の別の目的は、陰極としての工作物の電流を最
大値と最小値の間で変えることによって、工作物上での
陰極スポットの易動度を高めた、基板を清浄にづる方法
と装置を提供することである。

エツトによって清浄にする装■を提供する。この装置は
、工作物に衝突し得るプラズマ被覆ツ］−を発生する手
段と、工作物及びプラズマジェットを発生する手段の閤
に陰極電流を保つのに有効な負の電圧を工作物に発生す
る手段と、工作物をプラズマジェットによって清浄にす
るのに有効な第１の電流の値、及びそれより小さいが、
１作物の面上での陰極スポットの動きをよくする様な効
果を持つ第２の電流の値の間で、成る繰返し周波数で陰
極電流を循環的に変える手段とを有し、こうして工作物
の面が損傷する確率を小さくしながら、清浄化作業を改
善する。

この発明の特徴として、工作物をプラズマジェットによ
って清浄にする方法が提供される。この方法は、工作物
に衝突し得るプラズマジェットを発生し、工作物に陰極
電流を保つのに有効な負の電圧を工作物に発生し、工作
物をプラズマジェットによって清浄にするのに有効な第
１の電流の値と、それより小さいが、工作物の面上での
陰極スポットの動きをよくするのに有効な第２の電流の
値の間で、陰極電流を成る繰返し周波数で循環的に変え
る工程から成り、こうして工作物の面が損傷を受ける確
率を小さくしながら、清浄化作用を改善Ｊる。

簡単に云うと、この発明が提供する装置並びに方法では
、プラズマジェット清浄化装置の伝達アーク電源の電圧
を用いて、工作物の面を清浄にする陰極工作物電流を誘
起する。この発明は、工作物電流の２つのレベルを誘起
する効果がある少なくとも２つの負のレベルの間で印加
電圧を循環的に変える方法と装置を含む。一層負の電圧
は、大きな工作物電流を発生し、工作物の面から誘電体
不純物を掃除Ｊ゛る効果がある。それ楔角でない電圧は
、工作物の面上でのプラズマジェットの動きをよくする
ことが出来る位に小さな電流を保つ効果があり、この為
、一層負の電圧並びに一層大きな電流が存在する間、工
作物上で陰極スポットが膠着する傾向があっても、その
作用を打ら消す。

この発明の上記並びにその他の目的、特徴及び利点は、
以下図面について説明する所から明らかになろう。図面
全体にわたり、同様な部分には同じ参照数字を用いてい
る。

発明の詳細な記載 例えば前掲米国特許第４，３２８，２５７号に記載され
ている装置の様な、極性逆転による清浄を含むプラズマ
・アーク被覆装置は公知であり、例えばカリフォルニア
州のエレクトロプラズマ・インコーホレーテッド社から
商業的に入手し得る。この装置の内部構造並びに普通の
動作は当業者がこの発明を実施することが出来る様にす
る為に、こ）で詳しく説明する必要はない。この為、以
下の説明は、この発明を理解するのに必要なことにとず
め、周知の他の素子についての余分の説明は省略する。

第１図には、この発明のプラズマジエン１〜清浄化装置
１０が示されている。この図には示してないし、特に説
明もしないが、プラズマジェット清浄化装置１０は、１
作物を清浄した後にそういう動作を行なう、プラズマ被
覆又は溶接装置の一部分であってもよい。普通、プラズ
マ室１２は密封可能な室で構成され、その内圧は室真空
ポンプ１４を運転することによって制御することが出来
る。プラズマ室１２はプラズマ・ガン１３並びに清浄に
しようとする工作物（図に示してない）を収容する様に
なっている。清浄化の間は陰極スポットが高速で移動す
るのを仔し、被覆の間は均一に覆う様にする為、プラズ
マ・ガン１３と工作物の間のアスペクトが連続的に変わ
る様にする為に、普通、工作物及びプラズマ・ガン運動
制御装置１６が、並進運動並びに１つ又は更に多くの軸
線の周りの回転運動の両方の、プラズマ・ガン１３及び
工作物の複雑な運動を行なう様に作用づる。

プラズマ・ガン１３が、例えばヘリウムとアルゴンの混
合物の様な不活性ガスの供給をプラズマ・ガス源１８か
ら受ける。プラズマ電源２０からの直流電力を用いＣ、
プラズマ・ガン１３の中を流れるプラズマ・ガスの中に
放電を保つ。この放電が不活性ガスを電離し゛Ｃプラズ
マジェットを発生ずる。

普通の伝達アーク電［２２が、被覆の問はプラズマ室１
２内の工作物に正の直流電圧、清浄化の間は、工作物に
負の直流電圧を供給づるのが普通である。

清浄化作用を改善すると共に、清浄化用のアークがかな
り長い時間の間膠着することを実質的に少なくする為に
、この発明はパルサー２４を付【）加える。このパルサ
ーは、工作物電流の変化が達成される様に、１作物に印
加される負の直流電圧を少なくとも２つのレベルの間で
周期的に変える様に作用する。

第２図にこの発明の１実施例で使われる工作物電流のグ
ラフが示されている。電流の最小値２８は工作物とプラ
ズマ・ガン１３の間に印加される電圧を有効に変えて、
電流６）最大値２６と電流の最小値２８の間での工作物
電流の変化を発生づる。電流の最大値２６は従来の直流
伝達アーク電源によって発生される電流と大体同じであ
ってよい。電流の最小値２８は、膠着を防止する為に、
陰極スポットの工作物上での動きを促す位に低い値に選
ばれる。

最大電流の期間の合間に、電流が消滅する様な電圧の反
転又は電圧ゼロの期間があると、再開電流に伴う問題が
起る惧れがある。従って、電流の最／Ｊ１１直２８直重
８の最大値２６より小さい値ではあるが電流がゼ］コの
成る期間の後にアークを開始すること とに伴なう問題〆避ける為に、プラズマ内には常に電流
を維持する。

達成される清浄化の品質並びにアークの膠着による工作
物の損傷を避Ｇプることの如何を左右する制御可能なパ
ラメータとして、次のものがある。

１、電流の最大値 ２、電流の最小値 ３、電流の最大値と最小値とのデユーディ比４、電流の
最大値及び最小値の間の脈動の周波数５、プラズマ室内
の圧力 ６６工作物からのプラズマ・ガンの距離７、清浄化動作
中のプラズマ・ガン及び工作物の運動 酋通の動作では、パルスなしの直流による清浄化でも、
アークによる溶融は、それが起った時は経済的にも実質
的な結果を持つ重要な問題であるが、割合たまにしか起
らないことである。試験の為、酋通の面の汚染物を模擬
づるものであるが、多数のアーク・スポット並びにパル
スなしの直流清浄化で大間のアークによる溶融を保証す
る様な種類の誘電体被覆で工作物を被覆づるのが便利で
ある。この目的には、Ｍ２Ｏの被覆が適しており、これ
はひイ割れ検査手順の一部分として、１作物の面に被覆
することが出来る材料であるし、プラズマアーク清浄化
過程を実施するまでは完全に除去されないことがあるの
で、尚更有用である。この様な被覆を用い、約１４０ア
ンペアのパルスなしの直流工作物電流を用いて、１平方
吋あたり約５個乃至約５０個のアーク溶融部を作った。

工作物には約１５個乃至約２０個の陰極スポットが観察
された。

更に、工作物上での陰極スポットの移動速度は、比較的
きれないターゲット区域では約４０１〜ル秒であったが
、被覆された区域では移動速度は約１５０乃至約１００
０吋／秒に低下した。

パルス状の直流（第２図）を用い、電流の最大値２６を
１４０アンペア、電流の最小値２８を電流の最大値２６
の約２５％にし、デユーティ比（電流の最大値２６と電
流の最小値２８の比）を５０％にすると、工作物上の陰
極スポットの数は約２５％増加し、アーク・スポットの
移動速度は、工作物の表面状態に無関係に、毎秒約２０
００乃至４０００吋まで増加した。

電力入力は減少しｌ〔が、清浄化は改善された。電流の
最小値２８の間の電流が減少したことが、初期の膠着の
傾向があっても、それを引離すことが出来る様にすると
共に、陰極スポットの易動度に寄与すると思われる。ア
ークが発生する傾向は、電界放出を通じてアークを開始
する誘電体層が存在しない時には低下するので、陰極ス
ポットの数が増え且つ易動度が高くなることは、アーク
の膠着並びにその結果として起る工作物の損傷を事実上
なくしながら、清浄化能力を改善する。更に、工作物に
対する平均電力入力が低下することにより、工作物の損
傷が減少する。タービン・パケットに対する平均電力の
低下が、先端領域並びに後縁領域にある重要な薄い部分
を清浄化する際に達する平均ｆ！疫を約３０下も下げる
ことが判った。

この発明の１実施例では、プラズマ室１２内の圧力を約
３０乃至約４０１〜ルにして最善の結果が得られた。

パルス状直流波形のデユーティ比を約８５％を越えて増
加した時、次の電流の最大値２６が開始づる前に、電流
の最低値２８の間、陰極スポットが離れる十分な時間が
ない様に思われる。この状態により、前に述べたパルス
なしの直流による清浄化の場合に起るのと略同等の膠着
並びにその結果としての損傷が生ずる。デユーティ比を
約１５％より低くすると、数は一層少ないが、アークが
一層署しくなり、清浄化は不良になる。デユーティ比が
小さい時、電流の最大値２６の所で、工作物を適正に清
浄にするのに十分な時間がない様に思われる。

この為、実用になり得る動作範囲はデユーティ比が約１
５乃至約８５％であり、最適のデユーディ比は５０％近
辺である。

第２図のパルス状直流波形のパルス繰返し周波数が毎秒
約５個乃至約６０個のパルスの範囲内であることが、陰
極スポットの妥当な易動度を生ずるのに効果がある。特
定の試験例では、毎秒パルス数約１０個のパルス繰返し
周波数によっ−Ｃ＠善の清浄化が得られた。

この他の１作物並びに／又はプロズマジェット清浄化作
業用に用いる時、苗の圧力、工作物電流、電流の最大値
２６、電流の最大値２６と最小値２８の比、即ちデユー
ティ比、パルス繰返し周波数、ガンとターゲットの距離
又はその他の動作条件は、上に説明した値から変えるこ
とが必要になることがある。然し、当業者であれば、以
上の説明から、著しい実験をしなくても、日常的な技術
判断から、この様なパラメータの変更を決定することが
出来よう。

第２図の矩形波形は、この他の波形でも適しているので
、この発明を１１１１約するものと解されるべきではな
い。成る用途では、陰極スポットの易動度を高めると共
に膠着を少なくするのに十分な程度に工作物ｉｆｆ流を
変えながら、工作物電流の流れを維持゛りるのに有効な
例えば梯形、正弦状、鋸歯状又はその他の適当な波形に
よつ゛Ｃ１工作物の損傷を少なくして清浄化作用を改善
することが出来る。

この発明では、この発明のパルス状直流を用いる時に陰
極スポットがたどる通路は、パルスなしの直流を使った
時に陰極スポットがたどる通路よりも、工作物の形状に
対して、より敏感であることが観測された。即ち、プラ
ズマジェットは、工作物の凹の部分に対しては、凸の部
分とは実質的に異なる通路をたどる。工作物の成る形状
では、パルスなしの直流を用いて工作物の成る部分に対
する陰極スポットの通路をより厳密に制御すると共に、
残りの部分に対しては、パルス状直流を使って、清浄化
作用を高めると共に損傷の惧れを少なくすることが好ま
しいことがある。この種の制御を行なうには、オフに転
じた時に、パルスなしの直流が発生され、オンした時に
パルス状直流が使われる様に、パルサー２４を選択的に
オン及びオフに転することが出来る。

図面についてこの発明の好ましい実施例を説明したが、
この発明がこの実施例そのものに制約されるものではな
く、当業者であれば、この発明の屹囲内で、種々の変更
を加えることが出来ることを承知されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の１実施例のプラズマ清浄化装置の簡
略ブロック図、第２図は１１１８１のプラズマ清浄化装
置の工作物電流をＩＲＩ聞に対して示Ｊグラフぐある。 主な符号の説明 １２：プラズマ室、 １３：プラズマ・ガン、 １８：プラズマ・ガス源、 ２０：プラズマ電源、 ２２：伝達アーク電源、 ２４：バルサ−。 特許出願人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）工作物をプラズマジェットによって清浄にする装置
   に於て、工作物に衝突し得るプラズマジェットを発生ず
   る手段と、該プラズマジェットを発生Ｊる手段及び前記
   工作物の間に陰極電流を保つのに有効な負の電圧を前記
   工作物に発生する手段と、前記工作物をプラズマジェッ
   トによって清浄にづるのに有効な第１の電流の値、及び
   それより低くて、前記工作物の面上でのプラズマジエツ
   ］−の移動をよくＪる様な効果を持つ第２の電流の値の
   間で、前記陰極電流を成る繰返し周波数で循環的に変え
   る手段とを有し、こうして前記工作物の面が損傷を受Ｃ
   ノる確率を小さくして清浄化作用を改善する装置。 ２）特ｉ１）請求の範囲１）に記載した装置に於て、前
   記第１の電流の値と前記第２の電流の値のデユーティ比
   が約１５乃至約８５％である装置。 ３）特許請求の範囲２）に記載した装置に於ｃ１前記デ
   ユーディ比が約５０％である装置。 ４）特許請求の範囲１）に記載した装置に於て、前記繰
   返し周波数が毎秒約５乃至約６０ナイクルぐある装置。 ５）特狛品求の範１ｆｌ１４）に記載した装置に於−（
   、前記繰返し周波数が毎秒約１０サイクルである装置。 ６）特許請求の範囲１）に記載した装置に於Ｃ１前記繰
   返し周波数が、前記工作物の面上でのプラズマジェット
   の移動をよくする様に作用り−る装置。 ７）特許請求の範囲１）に記載した装置に於て、前記第
   １及び第２の電流の値の波形がパルス状の直流波形であ
   る装置。 ８）特許請求の範囲１〉に記載した装置に於て、前記循
   環的に変える手段が、前記工作物の選ばれた区域を清浄
   にＪる為に前記第１の電流の値を印加する手段を含み、
   こうして前記選ばれた区域に於ける前記プラズマジェッ
   トの位置制御能力を改善した装置。 ９）工作物をプラズマジェットによって清浄にする方法
   に於て、工作物に討究し得るプラズマジェットを発生し
   、前記工作物に陰極電流を保つのに有効な負の電圧を前
   記工作物に発生し、前記工作物をプラズマジェットによ
   って清浄にするのに有効な第１の電流の値、及びそれよ
   り低いが、前記工作物の面上でのプラズマジェットの移
   動をよくするのに有効な第２の電流の値の間で、成る繰
   返し周波数で前記陰極電流を循環的に変え、こうして前
   記工作物の面が損傷を受ける確率を小さくして清浄化作
   用を改善する方法。 １０）特許請求の範囲９）に記載した方法に於て、循環
   的に変える工程が、前記第１の電流の値と前記ｆＪ２の
   電流の値のデユーティ比を約１５乃至約８５％に保つこ
   とを含む方法。 １１）特許請求の範囲１０）に記載した方法に於て、前
   記デユーティ比を保つ工程が、前記デユーティ比を約５
   ０％に保つことを含む方法。 １２、特許請求の範囲９）に記載した方法に於て、前記
   Ｉｔ１環的に変える工程が、毎秒約５乃至約６０サイク
   ルの繰返し周波数で循環的に変えることを含む方法。 １３）特許請求の範囲１２）に記載した方法に於て、前
   記繰返し周波数が毎秒約１０ザイクルである方法。 １４）特許請求の範囲９）に記載した方法に於て、前記
   循環的に変える工程が、前記工作物の面上でのプラズマ
   ジェットの移動をよくするのに有効な値を持つ繰返し周
   波数で循環的に変えることを含む方法。 １５）特許請求の範囲９）に記載した方法に於て、前記
   循環的に変える工程が、パルス状の略直流波形である様
   な、前記第１及び第２の電流の値の波形を発生すること
   を含む方法。 １６）特許請求の範囲９）に記載した方法に於て、前記
   循環的に変える工程が、前記工作物の選ばれた区域を清
   浄にする為に前記第１の電流の値を印加することを含み
   、こうして前記選ばれた区域に於けるプラズマジェット
   の位ＩＩ　１ｂｌＪ　Ｉｌｌ能力を改善した方法。