KR100849912B1

KR100849912B1 - 열 용착 코팅 방법 및 장치

Info

Publication number: KR100849912B1
Application number: KR1020060033338A
Authority: KR
Inventors: 즈빅뉴 주렉키
Original assignee: 에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
Priority date: 2005-04-12
Filing date: 2006-04-12
Publication date: 2008-08-04
Also published as: TW200636091A; EP1712962A1; KR20060108246A; PL1712962T3; KR20080065259A; CA2542013C; EP1712962B1; US20060228465A1; CA2542013A1; US8715772B2

Abstract

본 발명은 공작물의 열 용착 코팅을 위한 방법에 관한 것으로, 상기 방법은

(a) 용착 헤드로부터 공작물의 금속 표면 상으로 코팅을 열적으로 용착하는 단계로서, 상기 표면 상으로의 코팅 용착율과, 상기 표면과 용착 헤드 사이의 상대 운동, 그리고 상기 공작물 상으로의 극저온 냉각제의 도포 속도로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 조건이 제어 가능한 것인 열 용착 단계와;

(b) 공작물의 금속 표면 상에 있어서 복수 개의 위치에서 온도를 실질적으로 동시에 측정하는 단계와;

(c) 단계 (b)에서 측정된 온도의 평균 온도를 결정하는 단계와;

(d) 공작물에 대하여 사전에 선택된 최저 온도 및 최고 온도와 상기 평균 온도를 비교하는 단계와;

(e) 상기 평균 온도가 상기 공작물에 대하여 사전에 선택된 최저 온도와 최고 온도 사이에 있지 않은 경우, 상기 제어 가능한 조건 중 적어도 하나를 조정하는 단계를 포함한다.

모든 온도 판독값의 표준 편차와, 열 코팅 용착 헤드와 공작물 사이의 상대 속도 제어는 공작물 표면 상에 있어서 온도 균일성이 얻어진다는 다른 개량점을 제공한다.

Description

열 용착 코팅 방법 및 장치{THERMAL DEPOSITION COATING METHOD AND APPARATUS}

도 1은 왕복 열 용착 코팅 작업의 간략한 도면으로서, 단일점 온도 측정을 예시한다.

도 2는 공작물과 코팅 사이의 계면의 단일점 온도 측정과 시간과의 관계를 나타낸 도표로서, 도 1에 도시된 열 용착 작업에 있어서 온도 사이클을 예시한다.

도 3은 본 발명의 공정에 사용될 수 있는 시스템의 도면으로서, 열 용착 공정에 있어서 극저온 냉각제 분배기의 여러 형상 및 배치를 도시한다.

도 4는 본 발명의 공정에 사용될 수 있는 시스템의 도면으로서, 원통형 공작물에 대한 열 용착 코팅, 극저온 냉각 및 위한 제어 시스템의 일 실시예를 도시한다.

도 5는 본 발명의 공정에 유용한 온도 입력 기록 매트릭스의 일 실시예를 도시한 도면이다.

도 6은 본 발명에 따른 냉각 제어 공정의 일 실시예의 블록선도로서, 열 제어와 균일한 온도 제어 모두를 위한 2개의 논리 블록을 도시한다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

2 : 공작물

3 : 기판 표면

4 : 코팅 재료

6 : 열 용착 헤드

8 : 냉각제

12 : 열전대

40 : 공작물

41 : 공작물 기판 표면

42 : 홀더

44 : 열 용착 헤드

46 : 코팅 용착 재료

48 : 냉각제 분배기

50 : 동작 제어기

본 출원은 2005년 4월 12일자로 출원된 "열 용착 코팅 작업을 위한 제어 방법"이라는 제목의 가출원 제60/670,497호를 우선권 주장하며, 이는 본 명세서 전반에 걸쳐 그 내용이 참조로 인용되어 있다.

본 발명은 공작물의 열 용착 코팅 동안 열의 제거를 돕기 위해 극저온 냉각제를 이용하여, 열 전도성 기판 표면을 구비한 공작물 상으로 코팅을 열 용착하는 방법을 개량한 것에 관한 것이다.

열 용착 코팅 방법을 사용하여 컴포넌트 제품을 형성하기 위해 다양한 기판에 금속, 합금, 세라믹 및 복합물 등의 다양한 코팅을 도포하기 위한 공정들이 공지되어 있다. 이러한 공정들은 경도, 내식성, 내열성, 표면 다공성 등의 기판 특성을 개량하기 위해 사용된다. 예시적인 열 용착 코팅 작업으로는, 고속 산소-연료(HVOF) 용사 및 고속 공기-연료(HVAF) 용사와, 공기 분위기, 진공 챔버 및/또는 불활성 가스 챔버에 있어서의 DC 및 RF 플라즈마 용사와, 전기 아크(트윈 및 싱글 와이어) 용사와, 레이저 분말 코팅 혹은 클래딩(cladding)과, 플라즈마 이행-아크 분말 코팅 등과 같은 이행 아크 코팅 작업, 그리고 용접 오버레이 용착(welding overlay deposition) 등이 있다.

열 용착 코팅 작업은 기판의 표면 상에 예열된 및/또는 용융된 코팅 재료를 용착시킨다. 코팅 공정에서, 열 용착 헤드의 복수 회의 통과는 공작물의 표면 상에 있어서 실시되고, 각각의 통과는 코팅 재료의 층을 용착시킨다. 통상적으로 열로서 나타나는 상당량의 에너지는, 코팅 재료를 공작물 상으로 열적으로 용착시키는 데 요구되며, 이러한 에너지의 일부는 적어도 부분적으로 공작물로 옮겨진다. 열 용착 동안의 부적절한 온도 제어는, 코팅과 기판 표면 사이에 있어서 열 수축 계수의 부정합으로 인하여, 코팅 및 공작물의 과열과, 열적 열화, 그리고 열 응력 손상으로 이어진다. 과열, 열 응력 등을 통하여 손상이 일어날 때, 형성되는 코팅은 불량하게 점착될 수 있거나 혹은 심지어 부서질 수 있다.

열 용착 코팅 동안 공작물로부터 열을 제거하는 것은 중요하며, 열 용착 코 팅 작업 동안 열 제거를 행하는 가장 보편적인 방법들 중 하나는 축적된 열이 주위로 방산되도록 공정 사이클에 중단을 도입하는 것이다. 냉각 공기 제트는 이러한 실시로 인한 공정 생산성의 손실을 상쇄하기 위해 종종 사용되지만, (a) 공기 냉각은 대개 불충분하며, (b) 냉각 공기에서 잔여 수분 및 탄화수소와 함께 존재하는 산소는 코팅의 품질에 해롭다.

형성되는 컴포넌트의 코팅 품질 및/또는 공정 생산성을 최대화하기 위한 냉각제 관련 효과적인 열 제거 방법에 대한 연구는, 냉각 가스 및 극저온 가스 냉각을 개발하기에 이르렀다. 극저온 냉각 방법들은 열을 신속하게 제거하는 능력에 있어서 현저한 향상을 제공하는 반면에, 온도 제어, 즉 코팅 동안 공작물 내에서의 열 상승과 열 균일성 제어에서 어려움이 더 커지거나 에러에 대한 마진이 더 좁아지기 때문에 열 용착 코팅 산업에서 이러한 방법은 거의 사용되지 않는다.

극저온 냉각제의 사용을 일부 포함하는 열 용착 코팅 공정을 예시하는 대표적인 논문과 특허는 다음과 같다:

2000년 3월 27일, 오하이오주 신시네티에서 개최된 Aerospace/Airline Plating and Metal Finishing Forum에서 Nuse, J.D.와 Falkowski, J.A.가 발표한 "크롬 대체 도포를 위해 HVOF에 의해 도포되는 텅스텐 카바이드 코발트 코팅의 표면 마감"에는, 항공기용 노스 및 랜딩 기어 기판에 있어서 크롬 기반 코팅의 대체물로서 텅스텐 카바이드 코팅을 도포하기 위해 HVOF를 사용하는 것이 개시되어 있다.

1999년 8월 3일~6일, 아일랜드, 더빈에서 개최된 Proceedings of the International Conference on Advances in Materials and Processing Technologies (AMPT '99)에서 Stokes, J.와 Looney, L.가 발표한 "성형 기판의 두께를 최대화하기 위한 HVOF 시스템 정의"의 제775-784면에는, 냉각제로서 이산화탄소를 사용하여 알루미나-칼슘 안정화 지르코니아 용착물, CoNiCrAlY 용착물 및 카바이드 용착물을 도포하기 위해 HVOF를 이용하는 것이 개시되어 있다.

1993년 6월 7일~11일, 캘리포니아 애너하임에서 개최된 Proceedings of the 1993 National Thermal Spray Conference에서 Lucchese, P. 등이 발표한 "열 유동 모델링을 이용한 세라믹 기판 상의 분위기 및 온도 제어식 플라즈마 용사 공정에서 로봇의 경로 최적화"의 제231-239면에는, 냉각제로서 액체 아르곤을 사용하는 분위기 및 온도 제어식 플라즈마 용사를 이용하는 것이 개시되어 있다. 로봇의 경로와 관하여 회전 가능한 세라믹 공작물 상에 내화성 분말을 용사하였다. 온도 대 시간을 측정하고 그 결과를 이용하여 열 플럭스를 줄이며 기판 및 코팅의 파괴를 방지하기 위해, 플라즈마 용사 영역에 배치된 기록용 IR 카메라를 사용하였다.

미국 특허 제6,740,624 B1호 및 EP 0 960 955 A1호에는 화염 혹은 플라즈마 용사에 의해 대개 5 mm 초과 두께로 기판 상에 금속 산화물을 코팅하기 위한 방법이 개시되어 있다. 기판의 배면의 극저온 냉각은 열 용사 동안 수행된다. 단일점 극저온 냉각제 공급원과 관련하여 단일점 적외선 센서를 사용하는 것은, 기판 표면 상에 있어서 이러한 센서-극저온 공급원 쌍을 복합화하는 추가 옵션과 함께 제안되었다.

미국 특허 제6,648,053 B2호 및 WO 02/083971 A1호, WO 02/083972 A1호, 및 EP 1 308 987 B1호에는, 냉각제를 사용하지 않고 감지된 표면 온도에 기초하며, 열 절연 세라믹 기판을 사용하여 자동 용사 셀에서 두꺼운 용착물(빌릿)을 전기 아크-용사-성형하기 위한 것으로, 왜곡 및 내부 응력의 감소를 특징으로 하는 열 제어 방법과 장치를 사용하는 것이 개시되어 있다. 상기 개시된 표면 온도 감지는 다중점 측정, 서모그래픽 혹은 서모-이미징(서모-비젼) 카메라를 사용한 용사-용착 표면의 실시간, 2차원 매핑(mapping)을 기초로 하고 있다.

상기 공정 제어 알고리즘은 로봇 용사기 좌표와 서모그래픽 카메라 좌표를 동기화하며, 열점이 공작물 표면에 발현될 때, 이러한 열점은 로봇 용사-성형 건의 횡방향 속도 및 위치를 조정하는 것에 의해 이들 열점 영역 상에 용사된 재료의 양을 제어함으로써 제거된다.

본 발명은 공작물의 열 용착 코팅 동안 열 제거를 돕는 극저온 냉각제를 이용하여, 열 전도성 기판 표면을 구비한 공작물 상으로 코팅을 열 용착하는 공정의 개량에 관한 것이다. 본 발명은 공작물의 열 용착 코팅을 위한 공정에 관한 것이며, 이 공정은

(a) 용착 헤드로부터 공작물의 열 전도성 표면 상으로 코팅을 열적으로 용착하는 단계로서, 코팅 용착율과, 상기 표면과 용착 헤드 사이의 상대 운동, 그리고 극저온 냉각제의 유량으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 조건이 상기 공정 중에 제어 가능한 것인 열 용착 단계와;

(b) 상기 공작물의 표면 상에 있어서 복수 개의 위치에서 온도를 실질적으로 동시에 측정하는 단계와;

(e) 상기 평균 온도가 상기 공작물에 대하여 사전에 선택된 최저 온도와 최고 온도 사이에 있지 않은 경우, 상기 제어 가능한 조건 중 적어도 하나를 자동 조정하는 단계를 포함한다. 이 단계는 코팅을 계속 열 용착하는 동안에 실행되고, 그 후 상기 공정 단계들이 반복된다.

본 발명의 제2 실시예에서, 공작물의 기하 구조, 최적이 아닌 냉각제 도포, 및 열 용착 공정의 최적화되지 않은 다른 파라미터로 인한, 공작물의 여러 부분 사이에서의 불균일한 온도에 의해 통상 야기되는 국부 응력이 상기 코팅된 공작물에서는 최소가 된다. 이것은 모든 온도 판독값의 표준 편차를 계산하고, 이 표준 편차에 대한 예정된 값에 따라 열 코팅 용착 헤드와 공작물 사이의 상대 운동(속도)을 제어함으로써 달성될 수 있다. 제2 실시예는 전술한 단계 (a) 내지 단계 (e)와 추가의 단계 즉,

(f) 상기 평균 온도와 상기 측정된 온도의 누적 사이의 표준편차를 결정하는 단계와;

(g) 상기 표준 편차를 제1 사전 선택 표준 편차(S1)와 비교하는 단계와;

(h) 상기 표준 편차가 제1 사전 선택 표준 편차(S1)보다 큰 경우 상기 제어 가능한 조건 중 적어도 하나를 자동적으로 조정하는 단계를 포함한다. 이 단계는 코팅의 열 용착을 지속하는 동안 수행된다. 그 후, 상기 공정 단계들은 반복된다.

본 발명의 제3 실시예는,

(i) 상기 표준 편차를 제2 사전 선택 표준 편차(S2)와 비교하는 단계와;

(j) 상기 표준 편차가 제2 사전 선택 표준 편차(S2)보다 큰 경우 코팅 용착율을 자동적으로 중지시키는 단계를 포함한다. 상기 단계 (i)와 단계 (j)는 상기 단계 (f), (g), (h) 이전 혹은 이후에 수행될 수 있다. 그 후, 상기 공정 단계들은 반복될 수 있다.

극저온 냉각제를 이용한 열 용착 코팅 방법에 의해 열 전도성 기판 상에 코팅을 형성하는 제어 공정에 의하면 여러 장점이 얻어질 수 있으며, 이러한 장점은 다음 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 즉, 기판 재료의 과열 및 열적 손상의 위험 없이 우수한 코팅 생산 속도를 달성할 수 있는 능력; 코팅된 공작물의 코팅과 기판 표면 사이에서 손상 내부 응력을 최소화하면서, 공작물 상에 잘 부착되는 균일한 코팅을 생성하는 능력; 극저온 냉각제 매체를 수반하는 작업의 제어가 곤란한 것에 대비하여, 온도 제어를 제공하는 능력으로서, 생산 환경에서 실행의 단순성과, 각종 순간적인 공정 혼란에도 불구하고 신뢰성 있는 열 측정, 그리고 접촉 및 비접촉 센서 측정 양자의 허용 등을 포함하는 능력; 상이한 온도 감지 장치로부터 혼합된 입력을 이용하는 능력을 포함할 수 있다.

본 발명의 공정은 고속 산소-연료(HVOF) 용사 및 고속 공기-연료(HVAF) 용사와, 공기 분위기, 진공 챔버 및/또는 불활성 가스 챔버에 있어서 DC 및 RF 플라즈마 용사와, 전기 아크(트윈 및 싱글 와이어) 용사와, 레이저 분말 코팅 혹은 클래딩과, 플라즈마 이행 아크 분말 코팅 등과 같은 이행 아크 코팅 작업, 그리고 및 용접 오버레이 용착을 비롯한 임의의 열 용착 코팅 작업에 유용하다.

본 발명에 따른 개념의 이해를 돕기 위해 도면을 참조하였다. 도 1은 높은 온도의 코팅 재료가 공작물에 도포되는 열 용착 코팅 작업을 간략히 도시한다. 도 1에 있어서, 공작물 기판 표면(3)을 지닌 공작물(2)은 열 용착 헤드(6)로부터 용착되는 코팅 재료(4)로 코팅된다. 열 용착 헤드(6)는 공작물(2)의 표면(3) 상에 있어서 점(a)과 점(b) 사이에서 왕복 동작을 하며, 코팅 재료(4)는 선(ab)을 따라 공작물(2)의 표면(3) 상에 도포된다. 이것은 a에서 b까지의 행정 시간(t 행정)이 전체 코팅 작업을 완료하는 데 필요한 시간보다 훨씬 짧다는 것을 의미한다. 따라서, 산업상의 관례는 대개 공작물의 사전 선택된 영역 상에 혹은 공작물(2)의 전체 표면(3) 상에 사전 선택된 두께를 지닌 코팅을 생성하기 위해 열 용착 헤드(6)의 복수 회의 스캔 혹은 왕복 동작을 필요로 한다. 극저온 냉각제(8)는 냉각제 공급부(10)로부터 공작물(2)의 표면(3)으로 공급되어 점(a)에서 점(b)로 열 용착 헤드가 이동할 때 열의 제거를 보조한다. 상기 공정은 열 용착 헤드가 점(b)에서 점(a)로 이동할 때 반대로 된다. 공작물(2)로부터의 급속한 열 제거에 의해 전체 온도를 공작물에 대하여 사전 선택된 설계 최고 온도(Tmaxi) 미만으로 그리고 최저 온도(Tmini) 이상으로 유지시켜 생성 속도의 증대를 가능하게 한다. 순간적인 온도 판독값은 열전대(12)에 의해 기록된다.

최고 온도(Tmaxi)와 최저 온도(Tmini)는 부품의 기하 구조와 재료의 조건에 기초하여 열 용사 코팅 시스템의 조작자에 의해 "임의로" 설정된다. 예컨대, 최저 온도(Tmini)는 대개 연소 가열에 기초하는 열 용사 공정에서, 예컨대 H2 화염 혹은 탄화수소 화염을 이용한 고속 산소-연료(HVOF) 용사에서, 물 비등점 바로 위에 설정된다. 진공 챔버 내의 플라즈마 용사 코팅의 경우 다른 고려 사항들이 최저 온도(Tmini)를 설정하는 데 사용될 수 있다. 최고 온도(Tmaxi)는 대개 기판 재료의 열 기계적 열화를 방지하는 레벨로 설정된다. 열 처리되고 저온 템퍼링된 강 성분이 열 용사 코팅될 경우, 최고 온도(Tmaxi)는 원하지 않는 재료의 연화를 방지하기 위해 200 혹은 300℃의 레벨로 설정될 수 있다. 손상 열 응력을 집중시키는 경향이 있는 복잡한 기하 구조의 컴포넌트, 시효 알루미늄 합금, 중합체 복합물 컴포넌트에 대한 최고 온도(Tmaxi)를 미리 설정하는 데, 이와 유사한 기법이 사용될 수 있다.

사용 용어 "열 헤드"는 공작물 표면 상에 코팅될 재료가 공작물의 표면을 코팅하기 위해 열 코팅 장치로부터 빠져나오는 열 코팅 장치의 부분을 의미한다. 상기 열 헤드는 용접 오버레이 코팅용으로 사용될 수 있는 MIG 용접 토치 뿐만 아니라 열 분무 건(HVOF, APS, VPS, 아크 용사, 화염 등 포함), 레이저 분말 분무 코팅 시스템, PTA 분말 및 와이어 코팅 시스템(플라즈마 및 용접의 하이브리드) 등을 포함한다.

코팅된, 부분 코팅된 및/또는 아직 코팅되지 않은 공작물 표면(3) 상에 상기 냉각제의 적어도 일부를 분출하는 것을 포함하는 열 용착 공정에 사용될 수 있는 대표적인 극저온 냉각제(-70℃ 이하, -100℃ 이하의 온도를 지닌 냉각제)는 불활성 냉각제를 포함하는데, 이 불활성 냉각제는 예컨대 모든 유형의 코팅 재료에 대해서는 아르곤 혹은 헬륨 등의 희가스이고, 대부분의 금속성 코팅, 탄화물, 질화물 및 붕소화물 코팅에 대해서는 질소이며, 그리고 선택적으로 알루미나, 지르코니아, 티타니아, 하드록시아파타이트(hydroxyapatite), 페로브스카이트(perovskite) 등의 대개 산화물을 함유하는 무산화 코팅에 대해서는 이산화탄소 혹은 공기이다. 극저온이더라도 질소가 아닌 희가스 냉각제가 금속과 함께 사용되어야하는 경우 같은 드문 상황은 티타늄, 탄탈, 마그네슘 및 질화물을 신속하게 형성하는 이와 유사한 반응성 금속 코팅의 용사를 수반한다. 본 발명의 실시에 적합한 특정의 열 용착 코팅 재료는 금속과, 합금과, 금속간 화합물과, 산화물-, 탄화물-, 붕소화물- 및 질화물-세라믹과, 복합물, 그리고 이들의 임의의 조합물로 이루어진 그룹에서 선택된다. 냉각제는 액체 혹은 가스 혹은 이들 양자일 수 있다.

도 2에는 도 1에 도시된 열 용착 헤드(6)가 냉각제 없이 점(a)와 점(b) 사이에서 코팅 재료(4)를 용착시킬 때, 열전대(12)에 의해 측정된 순간 온도 대 시간의 도표가 도시되어 있다. 열 용착 코팅 작업에서, 온도 점에 나타낸 피크 온도, 즉 Tpeak(20)는 열전대 위를 통과할 때마다 매번 발생된다. 열 용착 헤드가 열전대로부터 멀어지게 이동할 때, 열전대에서의 공작물의 온도는 전도, 방사 및 대류에 의한 공작물(2) 내에서의 열 방산에 따라 감소하여 최저 온도(22)를 갖게 된다. 라인 Taver(24)는 계산된 평균 온도이다. (이것의 중요성은 본 발명과 관련한 후속 단락에서 설명한다.) 공작물의 사전 선택된 설계 최고 온도는 Tmaxi(25)로 표시되어 있고, 공작물의 사전 선택된 설계 최저 온도는 Tmini(27)로 표시되어 있다. Tmaxi는 코팅 시스템에서 공작물에 대하여 바람직한 최고 온도이며, Tmini는 코팅 시스템에서 공작물에 대하여 바람직한 최저 온도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 시스템의 온도는 Tmaxi 이상으로 신속하게 이동하기 때문에, 코팅은 원하는 대로 되지 않을 것이고, 및/또는 결함이 생길 수 있다.

도 1에 도시된 용착 방법은 공작물(2)로부터의 열 제거 문제 및 Tmaxi 초과 혹은 Tmini 미만일 수 있는 공작물의 다양한 위치에서의 불균일한 온도의 문제를 적절하게 해소할 수 없는 단일 공급원 온도 측정을 사용한다. 또한, 고정점(fixed-point) 온도 센서의 사용은 열 센서 위치(온도 측정을 취한 시점에서 열 용착 헤드에 대한 위치)와 과잉 반응 온도 센서를 포함한 여러 순간적인 공정 측정의 혼란에 역점을 두어 다루지 않는다. 과잉 반응 온도 감지는 용사 플룸(spray plume), 먼지, 극저온 증기 혹은 얼음 구름, 횡방향 동작하는 열 용착 헤드 자체, 및 고온 재료의 플룸에 의한 온도 센서의 가림 및 차단에 의해 야기될 수 있다. 또한, 과잉 반응 온도 감지는 공작물 표면에서의 위치와 측정 시간의 함수인 공작물 표면의 방사율과 열장에서의 국부적인 전이에 의해 야기될 수 있다.

도 2에 도시된 단일 공급원 온도 방법을 사용하여 통상적으로 발생된 열 입력 데이터와 본 출원인에 의해 밝혀진 바에 의하면, 코팅 작업 동안 공작물의 온도는 제어 목적으로 사용할 수 있도록 이전의 방식보다 더 균일한 방식으로 표현되어야 하며; 열 전도성 기판 표면, 즉 열 전도성 공작물 혹은 공작물의 표면의 사용은, 열 코팅 중에 공작물의 표면 상에 발생된 국부적인 열 구배를 균등하게 하는 데 필요하게 될 것이고; 그리고 복수의 영역에서 표면 온도의 실질적으로 동시적인 판독과 이것의 평균내기는 용착 공정을 제어하는 데 도움이 된다. 열 코팅 중에 공작물의 표면 상에서 발생한 국부적이고 일시적인 온도 구배에 의해 영향을 받는 열 코팅의 완전성 및 부착성은, 공작물과 코팅 재료의 열팽창 계수들 간의 부정합으로 인한 전체 공작물의 대규모 팽창 또는 수축의 제한에 따라 주로 좌우된다. 대규모 팽창과 수축을 최소화하는 것은 공작물의 평균 온도를 Tmini와 Tmaxi 사이로 유지하는 것을 필요로 한다.

본 발명은 코팅될 공작물로서 금속성인 열 전도성 기판을 사용하며, 일부 실시예에 있어서, 공작물 기판의 표면 상에서의 복수 회의 통과로 어림잡을 수 있는 총 코팅 두께는 단면이 가장 얇은 곳에서의 기판 두께의 절반 미만일 것이다. 다시 말해서, 열 전도성 기판의 두께는 단면이 가장 얇은 곳에서 최종 형성 용착 코팅의 두께의 적어도 2배이다. 본 발명의 또 다른 양태는, 공정 제어를 위한 복수 회의 접촉 혹은 비접촉 온도 입력을 실질적으로 동시에 사용하는 것이며, 이러한 입력을 사용하면서 예정된 시간 간격에 따라 그리고 예정된 표면 영역에 걸쳐 공작물의 표면 온도의 순간적인 판독의 평균을 내는 것이다.

열 전도성 기판 상에 코팅 재료를 열 용착하기 위한 제어 공정의 개발에 있어서, 본 출원인은 공작물의 상당 영역 상에 있어서 실질적으로 동시에 표면 온도를 측정하고, 그 온도의 평균을 내며, 그리고 그 온도 판독값의 평균(Taver)을 도표에 나타내면, 공작물의 표면의 평균 온도는 도 2에서 라인(24)으로 도시된 바와 같이 용착 공정 동안 빠르지만 균일하게 상승한다는 것을 밝혀내었다. 본 발명에서, 평균 온도(Taver)가 제어될 수 있기 때문에, 공작물의 평균 온도는 사전 선택된 최고 온도 Tmaxi(25)와 최저 온도 Tmini 사이에 있게 될 것이다. 이로부터, 복수의 위치에서 공작물 온도를 간단하지만 효과적으로 측정하는 것과, 공작물의 평 균 온도(Taver)의 계산은 다음 중 적어도 하나, 즉 공작물 상으로의 극저온 냉각제의 유량, 공작물 표면 상으로의 코팅 용착율, 및/또는 표면과 용착 헤드 사이에서의 상대 속도를 제어하기 위해 사용할 수 있다는 것으로 결론지었다. 상기 용착율은 열 용착 공정에서 단위 시간 당 용착 헤드로부터 분출된 재료의 양이다. 본원에서 평균과 평균치라는 표현은 별도의 지시가 없는 한 호환적으로 사용될 것이다.

코팅과 공작물 기판 표면 사이에서 열적으로 유도된 국부 응력을 최소화시키고, 공작물을 국부화된 열 손상으로부터 보호하기 위해, Taver(다중 영역의 온도 판독값의 평균)가 사전 선택된 최저 온도(Tmini)를 초과하게 사전 선택된 최고 온도 미만으로 유지되는 그러한 온도 평균 내기(평균치 결정)와 극저온 냉각제 흐름(혹은 공작물 표면 상으로의 코팅 용착율 혹은 공작물 표면과 상기 용착 헤드 사이의 상대 속도)을 조절하는 것으로 이어지는 기본 개념의 향상은, 기판과 코팅 표면 내에서 온도의 균일성을 만드는 성질에 있다. 가공물 표면 내에서 온도 불균일성의 지속은 공작물의 기하 구조, 최적이 아닌 냉각제 도포 등의 변수와, 열 용착 공정의 최적이 아닌 다른 파라미터들에 의해 야기될 수 있다. 따라서, 본 발명의 공정의 또 다른 실시예에서, 누적 다중 영역 온도 판독값의 평균에서 나온 표준 편차가 결정될 것이고, 다중 영역의 온도 판독값 단독의 평균이 코팅 공정 동안 온도 전개에서 장기간 추세 및/또는 공작물 표면과 코팅 내에서의 과도한 온도 변동을 검출할 수 없기 때문에 향상된 제어를 허용할 것이다.

도 3 내지 도 6에 도시된 본 발명의 향상된 공정 제어 방법에서의 역학은, 제1 단계로서, 가장자리 영역과 중간 지점 영역을 포함한 공작물(2)의 표면의 길 이, 폭, 직경 혹은 다른 치수를 실질적으로 가로질러 다중-센서의 단일 온도 영역 판독(SAR)을 취하는 단계를 포함한다(공작물의 치수를 설명하기 위해 길이와 폭이라는 용어의 사용만을 제한하지 않는데, 그 이유는 본 발명의 공정이 임의의 형상을 지닌 공작물을 위해 사용될 수도 있고 길이와 폭이라는 용어 대신에 다른 치수적인 용어를 사용할 수 있는 것으로 이해하기 때문이다). 예컨대, 가장자리 온도 측정 위치는 도 3에서 점 c-i 및 k 혹은 도 4에서 A-F로서 식별된다. 이러한 온도 측정치들은 각각의 시간-단계 (time-step)에서 실질적으로 동시에 측정되고, 다중 영역 판독(MRR)을 형성하도록 수집된 다음 평균을 낸 것이다. 상기 시간-단계는 코팅될 공작물의 표면을 가로질러 온도의 실질적인 동시 측정치 사이의 시간 간격이다. 상기 시간-단계는 본 발명의 공정을 사용하여 공작물을 코팅하기 위해 필요한 총 시간에 따라 좌우될 것이지만, 예컨대 0.1 내지 5초 또는 0.5 내지 1.0초일 수 있다. 상기 평균, 보다 정확하게 말하자면 전술한 바와 같이 하나의 시간-단계에서 취하고 평균(MRR)으로 표시된 다중 영역의 온도 판독값의 평균은, 극저온 냉각제의 유량, 공작물 표면 상으로의 코팅 용착율, 및/또는 표면과 용착 헤드 사이에서의 상대 속도 중 하나 혹은 그 이상을 제어하기 위해 사용할 수 있고, Taver를 Tmaxi 와 Tmini 사이로 유지시킨다. 향상된 공정 제어 방법의 제2 단계에서, 표준 편차는 온도 제어를 위한 메카니즘으로서 사용된다. 이러한 단계에서, 소정의 한계 시간(ts)이 정해지고, 그 후 (각각) 시간-단계에서 측정된 단일 영역 판독값은 각각의 MRR(도 5에서 각 열을 따라)뿐만 아니라 CMRR(도 5에 도시된 바와 같은 2차원)로 표시한 누적 다중 영역 판독값 매트릭스의 계산을 위해 사용되기 시작한다. 모든 누석 다중 영역 판독값 매트릭스 값 CMRR과 함께 전체 누적 다중 영역 판독값 매트릭스 집단은 계속해서 경신되고 (수직으로 확장) 한계 시간을 지나 매번 새로운 시간-스텝으로 표준 편차 계산을 위해 사용된다. 이러한 2차원 데이터 매트릭스를 이용하여, S(CMRR)로 표기되고 코팅 용착 사이클에 걸쳐 측정된 모든 온도 판독값의 표준 편차가 계산될 수 있다. 일단 표준 편차 S(CMRR)가 계산되었으면, 그것은 이전에 결정 및 확립된 제어 표준 편차와 비교하기 위해 사용될 수 있다. 예컨대, S1과 S2로 표시된 2개의 확립 제어 표준 편차가 존재할 수 있지만(여기서 S2는 S1보다 더 큼), 다른 실시예에서는 1 혹은 임의의 수의 제어 표준 편차가 존재할 수 있다. 2개의 제어 표준 편차가 사용되는 예의 경우, 계산된 표준 편차는 S1과 S2와 비교되며, S(CMRR)의 값이 사전 선택된 값보다 더 클 경우, 아래의 작용들 중 적어도 하나가 실행될 수 있다. 즉, [1] 열 용착 헤드와 공작물 표면 사이의 상대 운동(속도)이 가속될 수 있고, 상기 표면 상으로의 코팅 용착율이 감소될 수 있으며, 그리고 상기 공작물 상으로의 극저온 냉각제 도포 속도가 증가될 수 있고, 또는 [2] 코팅 재료의 용착은 일시적으로 정지될 수 있다. 일 실시예에서, 옵션 [1]은 만약 S(CMRR)가 S1보다 크지만 S2보다 작을 경우 사용될 수 있고, 옵션 [2]는 S(CMRR)가 S1과 S2 양자를 초과할 경우 사용될 수 있다.

복수의 영역 판독의 낮은 표준 편차 값 S(CMRR)가 예컨대, S1 미만으로 낮은 것이 바람직한데, 그 이유는 그것이 받아들일 수 있는 코팅의 품질과, 공작물과 코팅 표면에 국부적으로 과열(혹은 과냉) 및 응력 인가의 위험성이 최소가 되도록 보장해주는 기판의 시간 경과 확인, 열 균일성(양호한 열 분산)을 나타내기 때문이 다. 그럼에도 불구하고, 누적 다중 영역 판독의 실제 표준 편차 값과, 공정 제어에서 이들의 중요성은 한계 시간 값의 선택뿐만 아니라 많은 변수에 따라 좌우된다. 따라서, 예컨대 코팅 공정이 가공물 표면 위로 열 용착 헤드의 5회 완전 통과를 필요로 할 경우, 단지 공작물 표면의 부분의 적어도 50%, 혹은 적어도 70%, 혹은 적어도 90%가 첫 번째 통과 층으로 코팅된 후에, 누적 다중 영역 판독의 표준 편차 값이 공정 제어를 위해 계산 및 사용되도록 한계 시간(ts)를 설정하는 것이 바람직할 수 있다. 별법으로서, 누적 다중 영역 판독값 매트릭스, CMRR, 및 표준 편차, S(CMRR)는 단지 공작물 위로 열 용착 헤드의 첫 번째 통과 후 열 용착 공정을 제어하기 위해 사용될 수 있으며, 이는 한계 시간이 제1 충만 층을 내려놓는데 걸리거나 공작물 위로 열 용착 헤드의 첫 번째 통과를 완료하는데 걸린 시간으로 설정되는 것을 의미한다.

위에서 요약한 바와 같이, 하나의 샘플링 시간에서 다중 영역 판독의 순간 평균, 혹은 평균치, 냉각 매체의 흐름을 제어하기 위해 사용된 평균(MRR)은 아래의 수학식 1에 나타낸 바와 같이 계산될 수 있다.

여기서, Mean(MRR) = 한 때의 다중 영역 판독의 평균치

Tij = 한 때와 한 영역에서의 단일 온도 판독값

i = A, B, C...M (온도 제어 영역의 수)

j = 1, 2, 3...n (측정 시간-단계의 수)

평균(MRR)은 코팅될 공작물의 표면의 순간적인 영역 평균 열 측정을 제공한다. 이러한 결과는 공작물 표면 위의 다양한 점에서 대규모, 온도 변화의 양호한 평가를 제공한다. 일 실시예에서, 공작물을 위한 열 제어는 다중 영역 온도의 평균(평균치)을 사전 선택된 Tmaxi 및 Tmini 사이에서 유지하기 위해 공작물 표면으로의 냉각제 유동을 제어함으로써 제공된다.

다른 실시예에서, 한계 시간이 일단 경과하면, 누적 평균 CMRR로부터 표준 편차를 결정하기 위한 메카니즘을 다음 수학식 2로 나타내었다.

여기서, S(CMRR) = 시작부터 실제 측정 시간까지 누적된 누적 다중 영역 판독의 표준 편차

i = A, B, C...M (온도 제어 영역의 수)

j = 1, 2, 3...n (측정 시간-단계의 수)

전술한 바와 같이, S(CMRR)는 S1 및 S2와 비교될 수 있다. S1 초과는 공작 물 표면의 열 균일성이 하한치가 되고, 상기 표면 위로 열 방산이 반드시 향상되어야 하거나 또는 용착된 코팅의 품질이 불량일 수 있다는 것을 의미한다. 일 실시예에서, 더욱 균일한 열 방산은 열 용착 헤드와 표면 사이에서 상대 속도를 가속시킴으로써, 즉 만약 냉각제 분배기가 고정식이 아닐 경우 그 분배기의 대응하는 가속으로 열 용착 헤드 및/또는 공작물의 동작을 가속시킴으로써 얻어질 수 있다. 용착 헤드와 공작물의 가속된 상대 운동은 열 용착 헤드의 1회 통과 당 더 얇은 코팅 층의 용착을 초래하므로, 각각의 가속은 타깃 두께의 코팅을 용착하기 위해 대응하는 통과 회수 증가와 관련된다. 별법으로서 혹은 추가적으로, 더욱 균일한 열 방산을 얻기 위해, 상기 표면 상으로의 코팅 용착율은 용착 헤드에서 나온 재료의 용착율의 감소로 인해 낮아질 수 있으며, 및/또는 상기 공작물 위로 극저온 냉각제 도포 속도는 S(CMRR)가 S1보다 더 크게 되는 것에 따라 높아질 수 있다. 상기 공정은 공작물 및 용착 헤드의 상대 운동을 증가시키기 위해 공작물의 속도 혹은 용착 헤드의 속도 혹은 이들 양자를 증가시킬 수 있다.

S1보다 더 큰 값을 지닌 표준 편차 한계값(S2)에 대한 도달 및 초과는, 공작물 표면의 열 균일성이 점진적으로 받아들이기 어렵게 되고, 열 용착 헤드의 작업이 코팅 재료로 이미 용착되어 있는 공작물에 열을 방산하기 위한 더 많은 시간을 제공하기 위해 재개 이전에 코팅 공정 사이클 동안 일시적으로 정지되어야 한다는 것을 나타낸다. 코팅 작업 동안 예정된 S2 값에 도달 혹은 초과하는 결과로부터 생긴 열 용착 헤드의 빈번한 차단 혹은 차단의 연장은 냉각제 분배기(들)의 셋업에서 혹은 아마도 생산 속도 손실을 방지하기 위해 필요로 하는 전체 시스템의 구성 에서의 변화를 의미한다. 또 다른 공정 제어 단계를 제공하는 추가의 표준 편차 한계값은, 필요에 따라 본 명세서에 이미 설명한 것을 기초하여 명백한 바와 같이 제공될 수 있다.

도 6에는 본 발명에 따른 공작물의 평균 온도와 열 균일성을 제어하기 위한 하나의 방법이 도시 및 설명되어 있다. 이러한 공정에서, 극저온 냉각 시스템의 작업과, 용착 헤드 및 공작물의 상대 운동은 2개의 논리 기능 블록, 즉

[1] 순간 공작물 표면 온도 보정;

[2] 누적 혹은 시간 지연 온도 보정.

에 기초하여 제어된다.

블록 1은 다중 영역 온도 판독값의 실제 평균, 평균치(MRR)에 기초하여 냉각제의 유동의 제어를 설명한 것에 반해, 블록 2는 열 용착 헤드와 공작물의 상대 속도 제어와, 필요에 따라 다중 영역 온도 판독값 S(CMRR)의 누적 표준 편차의 경신된 값을 기초하여 열 용착 헤드로부터의 코팅 재료의 턴-오프를 설명한다. 추가적으로, 블록 1은 S1 및 S2의 한계값을 결정하기 위해 필요한 테스트 런(test run)에서 냉각제 흐름과 온도의 제어를 위해 사용된다. Tmini와 Tmaxi의 값은 "외부" 재료와 공정 고려 사항에 기초하여 코팅 및 냉각 공정 이전에 코팅 공정 작업자에 의해 결정되고, 블록 1 이전의 단계에서 제어 프로그램에 입력된다는 것에 유의하라.

다음은 테스트 런 동안 작동 순서에 관한 것이다.

(a) 퍼스널 컴퓨터/데이터 취득(PC/DAC) 시스템은 Tmini, Tmaxi 및 한계 시간(ts) 설정점들을 수용한다.

(b) 열 용착 헤드는 온도 제어 시스템의 외부에 있는 각각의 제어기(예컨대, TCDC, MC 및 CFC, 도 4 참조)에 대한 열 용착 헤드 프로그램 및 동작의 루틴 로딩을 포함하는 작업을 위해 준비된다.

(c) 코팅 공정의 시작에 따라, 제1 시간-단계 (tj=1)에서, 다중 영역의 광학 센서(MTOS)는, 예컨대 각각의 제어 영역 혹은 제어 점에서 나온 개개의 단일 영역 판독값(SAR)을 읽는 반면에, PC/DAC는 이들을 도 5에 도시된 바와 같이 다중 영역 온도 판독값(MRR)의 형태로 시간-온도 매트릭스의 제1 열에 저장하고, 이들의 평균, 평균치(MRR)를 계산한다. 각각의 SAR은 온도 단위, 예컨대 섭씨 온도를 지니며, 그것의 위치를 지정하는 2개의 아래 첨자, 예컨대 T_D7은 도 5에 도시된 바와 같이 시간-단계 7에서 측정된, 도 4에 도시된 표면 영역 D에서의 온도 판독값인 것과 같이, 온도 판독값의 매트릭스 내에 한정되는 것에 주목해야 한다

(d) 제1 논리 박스 즉, 도 6에 도시된 블록 1에서, 다중 영역 온도 판독값의 평균은 Tmaxi와 비교된다. 이 평균이 Tmaxi보다 더 클 경우, 냉각제 유동은 시작(혹은 상기 단계가 상기 공정에서 반복될 때 증가할 수도 있음)하고, 상기 공정은, 상기 평균이 Tmaxi보다 더 작아 상기 공정이 단계 (e)를 지속하지 않을 경우, 다른 시간-스텝(tj=2) 동안 단계 (c)에서 반복된다.

(e) 블록 1에서 제2 논리 박스는 상기 평균값을 Tmini와 비교한다. 만약 평균값이 Tmini보다 더 작을 경우, 냉각제 흐름은 정지되거나 또는 냉각제 밸브는 폐쇄 위치에서 멈추고(만약 이전에 개방되지 않았을 경우), 상기 공정은 다음 시간- 단계 (tj=2) 동안 단계 (c)를 반복하며(코팅 공정의 시작시 일어날 수 있는 것과 같이 공작물이 너무 저온이고, 다음 시간-스텝에서 공작물의 예상되는 온도 증가에서 설정이 변하지 않음); 그러나 공작물이 예측된 시간량 내에서 가열되지 않을 경우, 상기 공정은 차단 및/또는 작업자에 에러 메시지를 표시할 수 있다.

(f) 만약 평균값이 Tmini보다 더 클 경우, 냉각제 흐름 상태에서 변화가 존재하지 않으며, 다시 말해서 냉각제는 이전에 개방되었을 경우 계속 유동하거나 또는 이전에 정지되었을 경우 계속 정지하게 된다. 상기 공정은 다음의 시간-단계 (tj=2)에서 단계 (c)를 반복한다.

(g) 단계 (c) 내지 단계 (f)는 온도 제어 시스템의 "외부"에 있는 열 용착 헤드 제어기(TCDC)와 동작 제어기(MC)에 의해 결정된 바와 같이 전체 코팅 공정 사이클의 종료 때까지 각 새로운 시간-단계(tj=2, 3, 4, 5...)에 따라 반복되거나 또는 폐회로가 된다. S(CMRR)의 값은 S1과 S2를 결정하기 위해 사후 테스트-런 조사를 위해 한계 시간(ts)로부터 시작되는 PC/DAC 시스템에 의해 계산되고 저장된다.

(h) 그 다음, 필요에 따라 몇몇 더 많은 테스트 런 이후, 작업자는 코팅 품질을 조사하고, 그것을 구한 S(CMRR)의 값으로 보정하고, 후속하는 생산 기간을 위해 S1과 S2의 값을 선택한다.

코팅 공작물을 위한 공정은 테스트 런을 완료한 후 S1과 S2를 설정값(예컨대, ts, Tmini 및 Tmaxi)에 더함으로써 시작된다. 테스트 런과 대조적으로, 블록 1과 블록 2는 이제 평행하게 작동한다. 블록 1의 기능은 테스트 런에 대한 전술한 것과 동일하다. 블록 2는 실제 시간-단계, tj가 한계 시간(ts)보다 더 작거나 클 경우 논리 박스를 점검함으로써 시작된다. tj가 ts보다 작을 경우, 전체 블록 2는 미정의 시간-단계 동안 건너 뛰지만, tj과 ts는 다음 루프에서 다시 비교될 것이다. 한편, 블록 1은 테스트 런에서와 마찬가지로 정확히 작용한다. 그러나, tj가 ts보다 더 클 경우, 블록 2의 다음 논리 박스는 실제 S(CMRR) 값이 S2의 값을 초과하는지의 여부를 점검한다. 만약 S(CMRR)가 S2보다 더 클 경우, 열 용착 헤드는 잠기고, 열이 공작물 표면으로 이미 운반되어 표면 온도를 더욱 균일해지도록 만들 때까지 코팅의 용착을 정지시킨다. 열 용착 헤드를 잠그는 것은 필요에 따라 냉각제 흐름을 온 혹은 오프시킴으로써 그 자체의 독립적인 평균치(MRR) 제어를 지속시키는 블록 1의 작업을 불가능하게 만들지 못한다. 만약 S(CMRR) 값이 S2 미만일 경우, 블록 2내의 다음 논리 박스는 S(CMRR)를 S1과 비교한다. S(CMRR)가 S1 미만일 경우, 프로그램은 선택적으로 열 용착 헤드가 스캔 모드에서 온 되고, 동작이 정상 속도에서 실행되는 것을 확인하고, 그 후 루프는 다음의 시간-스텝에서 재시작된다. 만약 상기 평균치가 S1보다 더 클 경우, 프로그램은 열 용착 헤드와 공작물간의 상대 운동을 가속시키도록 MC에 신호를 보내고, 선택적으로 열 용착 헤드가 온 되는 것을 확실히 한 후에, 루프는 다음의 시간-단계에서 재시작된다.

도 3, 도 4, 도 5 및 도 6에 상세히 도시된 본 발명의 실시예의 열 제어 공정의 장점은 블록 1에 의한 공작물 냉각의 독립적인 제어와 블록 2에 의한 공작물 표면 위로 열 방출로 인한 공정의 단순성과 신축성에 있다. 공정 알고리즘은, 열 용착 헤드의 실제 위치 및/또는 완전한, 실시간 열 그래프 이미지에 인식된 열 구배에 따라 동작 및 냉각제 제어기의 적합한 조작을 이용하여, 공작물 표면의 열 이 미지 상에 관련된 특정 점의 프로그램과 복잡성을 피하게 된다. 또한, S(CMRR)의 계산은 공정 작업자에 초기 공정 파라미터와 냉각 시스템 구성을 향상시킬 수 있는 통찰력과 기회를 주기 때문에 시간 경과 및 후속하는 몇몇 테스트를 이용하여 보정이 이루어질 수 있고, 완전히 안정된 코팅 생산 공정은 동작 속도 변화의 시작 없이 단지 블록 1 내에 냉각제 흐름의 제어로 S(CMRR)의 최소값에서 작동될 수 있다.

아래의 예들은 본 발명의 여러 실시예를 예시하고 본 발명의 범위를 제한하지 않을 의도로 제공된다.

예 1

원통형 공작물

이 예의 목적은 도 6에 도시된 공정 단계의 설명에서 열거된 제어 파라미드를 더욱 상세하게 설명하기 위함이다. 도 4, 도 5 및 도 6은 설명을 쉽게 하기 위해 사용된다.

도 4에는 원통 형상을 지니면서 열 용착 코팅 공정 동안 회전하는 공작물 기판 표면(41)으로 구성된 공작물(40)을 사용하는 열 용착 공정이 도시되어 있다. 공작물 기판 표면(41)으로 구성된 공작물(RW)은 원격으로 작동되는 회전하는 홀더(RWA)(42)에 장착되고, 별도로 작동되는 홀더(TCDA)에 의해 공작물 표면 위로 횡단하는 열 용착 헤드(TCD)(44)로부터 고온 코팅 용착 재료(46)에 노출된다. 기판(41)의 코팅된 일부에만 또는 공작물 표면의 비코팅 및 코팅된 부분에 냉각 효과를 제공하는 가늘고 긴 극저온 냉각제 분배기(SCMD)(48)가 열 용착 헤드(44)와 협동하여 횡단한다. CNC 혹은 로봇 타입의 동작 제어기(MC)(50)는 공작물(40)의 회 전 동작, 열 용착 헤드(44)의 동작 및 선택적으로 냉각제 분배기(48)를 조정한다.

공작물(40)의 회전으로 인해, 비접촉식 광학 다중점 시스템(MTOS)이 온도 감지을 위해 사용된다. 다중점 광학 센서(52)는 소정 어레이의 분리된 단일점 센서일 수 있거나 또는 다중점 센서는 조사된 표면 상에 열장을 매핑할 수 있고, 그것의 시야 내에서 선택된 영역에 온도 출력의 디지털화 가능한 서모그래픽(서모-이미징 혹은 서모-비젼) 카메라일 수 있다. 다중 영역 온도 측정을 위해 배치될 수 있는 적절한 단일점 센서의 예로는 마이크론 인프라레드(Micron Infrared), 레이텍(Raytek), 오메가(Omega), 및 다른 제조업체에서 입수 가능한 단일 혹은 2 파장(2-칼라) 적외선 트랜스미터를 포함한다. 주어진 용례에서 편리하도록 이들 센서들 중 몇몇은 레이저-조준 장치가 설치될 수 있거나 또는 이들은 가요성 광학 섬유를 경유하여 취득한 광학 신호를 전달할 수 있다. 상대적으로 고온 범위에 작동하는 가장 요구되는 용례는 초기에 추정된 방사율 계수를 보정하기 위해 레이저 빔으로 타깃 표면을 조명하는 마이크론(Micron)에서 입수한 셀프 보정 양자 IR-온도계 어레이를 사용할 수 있다.

도 4에 상징적으로 제공된 온도 제어 점(A 내지 F)들은, 분포가 다소 균일하고 그리고 적어도 영역들 중 몇몇이 온도 변화에 매우 민감할 것으로 추정되는 공작물의 영역에 배치되는 한, 주어진 상황에서 편리하다고 판단된 임의의 방식으로 공작물(40)의 표면에 걸쳐 코팅 공정 작업자에 의해 분포될 수 있다. 온도 제어 점 혹은 영역, 예컨대 도 5에 도시된 A, B,...F의 크기는 중요하지 않으며 사용된 열 센서의 타입에 따라 변할 수 있지만, 이들 수는 공작물의 표면에 걸쳐 일시적인 온도 분포와, 코팅 및 코팅되지 않은 공작물 표면에 걸친 온도 분포를 반영하기에 충분해야 한다. 따라서, 적어도 4개의 제어 점은 길이 혹은 폭이 몇 인치인 소형 공작물의 코팅을 위해 사용되어야 하는 한편, 적어도 6개, 양호하게는 더 많은 제어 점들이 더 큰 공작물의 코팅을 위해 사용되어야 한다.

열과 온도 균일성의 제어를 더 도시하기 위해, 공작물 위로 열 코팅 용착 헤드(44)(TCD)가 1회 통과되는 극저온으로 냉각된 열 용착 공정은 0.002인치(51㎛) 두께의 코팅을 초래하지만 타깃 코팅 두께가 0.010인치(254㎛)가 되는 것으로 가정한다. 사용된 TCD의 정상적인 횡단 속도에서 타깃에 도달하기 위해 5회 통과를 필요로 한다. 온도 샘플링 시간-단계는 0.5초이고, TCD는 정삭 속도 혹은 두 배의 속도 중 어느 하나로 횡단할 수 있다. 기판과 코팅 재료의 특성과 특정의 TCD 시스템을 사용하여 테스트 런에서 공작물의 코팅을 포함하는 이전 테스트는 아래의 한계치들이 생산 기간 동안 사용하기 위해 필요하다는 것을 나타내었다. 즉, 제1 통과를 완료하는 데 요구되는 바에 따라, Tmini = 80℃, Tmaxi = 140℃, S1 = 10℃, S2 = 40℃, 한계 시간 ts = 20 반복 시간-단계 = 10초이다. 극저온 분배기(SMCD)의 위치를 포함하여 초기 공정 파라미터가 적절할 경우, 생산 기간 동안 행해질 수 있는 관측은 다음과 같다.

. Taver 혹은 평균치(MRR)는 실온보다 어느 정도 높은 초기 온도에서 시작한 다음, 코팅 작업 동안 80℃ 내지 140℃ 사이에서 천천히 변동하며, 그것은 극저온 냉각제 유동 제어 밸브(CFC)에 의해 상기 범위 내에 유지된다.

. 코팅 작업 동안 누적된 누적, 다중 영역 판독의 평균값, 평균치(CMRR), 표 준 편차 S(CMRR)를 계산하기 위해 PC/DAC에 의해 사용되는 이산 공정 값은 100℃ 내지 110℃ 범위 내에서 아마 순간 Taver보다 훨씬 작게 변동한다.

. S(CMRR) 혹은 표준 편차는 코팅 작업(CMRR) 동안 누적된 모든 다중 영역 판독의 집단을 위해 반복 시간-단계 #21로부터 매 시간-단계에서 계산 및 경신되고, 그 값은 8℃ 미만이고 약 1℃ 만큼 변동한다.

극저온 냉각제를 위한 분배기의 위치를 포함하는 초기 공정 파라미터가 선택적이지 않을 경우, Taver 및 평균치(CMRR)의 관측된 값은 이전과 동일하게 여전히 지속될 수 있지만, 표준 편차, S(CMRR)는 코팅 작업 동안 소정의 값 즉, 반복 시간-단계 #80 이후 20℃의 값에 도달하도록 이탈할 수 있다. 이러한 값은 S1 한계치보다 더 크기 때문에, 프로세서는 공작물 표면에 대한 TCD의 상대 속도를 배가시키고, 또 잔여 TCD 코팅 통과 회수를 1회 이상에서 2회 이상으로 그리고 잔여 반복 시간-단계의 수를 20 이상에서 40 이상으로 배가시킨다.

TCD와 공작물(40)의 상대 횡단 속도 증가는 S(CMRR)의 실제값을 S1 아래로 떨어뜨려야 한다. 반대 상황이 발생할 경우, 제어기는 극저온 냉각제 유동을 매개로 Taver의 제어를 지속하는 동안 TCD를 턴-오프하게 될 것이다. 따라서, 만약 반복 시간-단계 #90 이후 S(CMRR)의 실제값이 50℃, 즉 S2 한계보다 더 높게 급등할 경우, 열 코팅 장치 제어기, TCDC는 열 용착 헤드(TCD)를 차단하고 후속하는 반복 시간 단계에서 S(CMRR)의 변화를 모니터링할 것이다. 실제 S(CMRR)가 S2(S2 = 40℃) 이하로 떨어지자마자, 코팅 작업은 전술한 상황에 따라 이중 횡단 속도에서 복원되고, 놓친 반복 시간 단계의 회수는 배가되어 배가된 횡단 속도를 위해 교정되 어 있는 잔유 단계의 회수에 추가된다.

예 2

도 3에는 공작물용 횡단형 및 고정식 극저온 냉각제 운반 시스템 양자를 선택적으로 이용하는 열 용착 공정의 도면이 도시되어 있다. 도 1에 도시된 것과 동일한 장치의 구성 요소에는 동일한 도면 번호를 표기하였다. 극저온 가스 냉각제 매체를 사용하여 열 용착 코팅 작업에서 냉각을 달성하기 위한 도시된 방법에 있어서, 하나 혹은 그 이상의 냉각제 수단(10A, 10A', 10B, 10C)이 냉각제(8)를 제공한다. 상기 수단(10A, 10A') 등의 냉각제 수단은 열 용착 헤드(4)와 함께 도 4에 도시된 분배기(48)의 이동과 유사하게 이동하거나 고정된 상태로 남게 된다. 열이 코팅 재료와 함께 용착되는 코팅될 공작물의 표면이 되는 공작물의 상측면을 냉각하는 것은, 그 결과로 생긴 응력 분포로 인해 공작물의 배면을 냉각하는 것보다 더 바람직하다. 물론, 공작물 표면의 상측면을 냉각하는 것은 상기 표면의 냉각된 부분이 이미 코팅되거나 그렇지 않을 경우 더 어렵게 된다. 일 실시예에서, 냉각제 수단, 즉 노즐(10A)은 용착 노즐이 점(c, d, e)에서 점(l, h, g)을 향해 각각 이동할 때 냉각제를 공작물의 표면 상에 용사하기 위해 사용되며, 상기 노즐(10A')은 역방향으로 사용된다. 이러한 실시예에서, 냉각제는 표면 위로 코팅 재료의 용착을 추적하게 된다.

요약하면, 본 발명의 공정은 전체 공작물의 길이/폭 규모에 걸쳐 전개되는 코팅과 공작물의 기판 사이에 응력을 최소화시키며, 다중-센서 온도 판독값을 평균내고 이러한 평균값을 순간 냉각제의 유량과, 선택적으로 코팅 재료 용착 유량 및/ 또는 공작물과 용착 헤드 사이에서 상대 운동(속도)을 제어하기 위해 사용함으로써 열 손상으로부터 기판을 보호한다. 상기 공정은 또한 기판의 기하 구조, 최적 조건이 아닌 냉각제 도포, 및 모든 온도 판독값의 표준 편차를 계산하고 이러한 표준 편차값을, 열 코팅 용착 장치와 공작물 사이의 상대 운동 속도의 증가, 냉각제 유량의 증가, 증착 유량의 감소 및/또는 코팅 재료의 일시적인 정지 중 하나에 의해 예정된 값 아래로 가져감으로써 열 용착 공정의 다른 최적이 아닌 파라미터로 인해 공작물 표면의 여러 부분들 사이에 전개되는 국부 응력을 최소화시킨다. 본 발명의 절차는 접촉 및 비접촉 온도 센서 입력 양자를 받아들인다. 이들 온도 센서의 영역 혹은 점들은 냉각될 공작물의 전체 표면 위로 분포되어야 한다. 상기 공정은 산업 생산에서 실행하기가 간단하며, 심지어 냉동 및/또는 냉각제 매체를 포함한 가장 어려운 응용에서도 열 용착 코팅 작업을 특징지우는 다양한 순간적인 고장에도 불구하고 신뢰성 있는 냉각 제어를 보장해준다.

극저온 냉각제를 이용하여 열 용착 코팅 방법에 의해 열 전도성 기판 상에 코팅을 형성하기 위한 제어 공정은 기판 재료를 과열 및 열적으로 손상시킬 위험 없이 우수한 코팅 생산 속도를 얻을 수 있고, 코팅된 공작물에서 기판 코팅과 기판 표면 사이에 내부 응력 손상을 최소화시키면서 공작물 상에 양호한 점착, 균일한 코팅을 생성할 수 있으며, 극저온 냉각제 매체를 포함한 작동 제어의 어려움에 대한 온도 제어를 제공할 수 있고, 그리고 상이한 온도 감지 장치로부터 혼합된 입력을 이용할 수 있다.

Claims

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공작물의 열 용착 코팅을 위한 방법으로서:

(a) 용착 헤드로부터 공작물의 열 전도성 표면 상으로 재료를 열적으로 용착하는 단계로서, 코팅 용착율과, 상기 표면과 용착 헤드 사이의 상대 운동, 그리고 상기 공작물 상으로의 극저온 냉각제의 유량(cryogenic coolant flow rate)으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 조건이 제어 가능한 것인 열 용착 단계와;

(b) 상기 공작물의 표면 상에 있어서 복수 개의 위치에서 온도를 동시에 측정하는 단계와;

(c) 단계 (b)에서 측정된 온도의 평균 온도를 결정하는 단계와;

(d) 공작물에 대하여 사전에 선택된 최저 온도 및 최고 온도와 상기 평균 온도를 비교하는 단계와;

(e) 상기 평균 온도가 상기 공작물에 대하여 사전에 선택된 최저 온도와 최고 온도 사이에 있지 않은 경우, 상기 제어 가능한 조건 중 적어도 하나를 자동 조정하는 단계와;

(f) 상기 평균 온도와 상기 측정된 온도의 누적 사이의 표준편차를 결정하는 단계와;

(g) 상기 표준 편차를 제2 사전 선택 표준 편차(S2)와 비교하는 단계와;

(h) 상기 표준 편차가 제2 사전 선택 표준 편차(S2)보다 큰 경우 상기 코팅 용착을 중지시키는 단계를 더 포함하는 열 용착 코팅 방법.
공작물의 열 용착 코팅을 위한 방법으로서:

(a) 용착 헤드로부터 공작물의 열 전도성 표면 상으로 재료를 열적으로 용착하는 단계로서, 코팅 용착율과, 상기 표면과 용착 헤드 사이의 상대 운동, 그리고 상기 공작물 상으로의 극저온 냉각제의 유량(cryogenic coolant flow rate)으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 조건이 제어 가능한 것인 열 용착 단계와;

(b) 상기 공작물의 표면 상에 있어서 복수 개의 위치에서 온도를 동시에 측정하는 단계와;

(c) 단계 (b)에서 측정된 온도의 평균 온도를 결정하는 단계와;

(d) 공작물에 대하여 사전에 선택된 최저 온도 및 최고 온도와 상기 평균 온도를 비교하는 단계와;

(e) 상기 평균 온도가 상기 공작물에 대하여 사전에 선택된 최저 온도와 최고 온도 사이에 있지 않은 경우, 상기 제어 가능한 조건 중 적어도 하나를 자동 조정하는 단계와;

(f) 상기 평균 온도와 상기 측정된 온도의 누적 사이의 표준편차를 결정하는 단계와;

(g) 상기 표준 편차를 제1 사전 선택 표준 편차(S1)와 비교하는 단계와;

(h) 상기 표준 편차가 제1 사전 선택 표준 편차(S1)보다 큰 경우, 상기 제어 가능한 조건 중 적어도 하나를 조정하는 단계와;

(i) 단계 (a) 내지 단계 (h)를 반복하는 단계를 더 포함하는 열 용착 코팅 방법.
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 공작물 상으로의 극저온 냉각제의 유량은 단계 (e)에서 조정되는 것인 열 용착 코팅 방법.
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 표면과 용착 헤드 사이의 상대 운동은 단계 (e)에서 조정되는 것인 열 용착 코팅 방법.
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 코팅 용착율은 단계 (e)에 조정되는 것인 열 용착 코팅 방법.
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 측정 단계는 광학 온도 센서에 의해 실행되는 것인 열 용착 코팅 방법.
제2항 또는 제3항에 있어서, 단계 (a) 내지 단계 (e)를 반복하는 단계를 더 포함하는 열 용착 코팅 방법.
제8항에 있어서, 상기 극저온 냉각제는 질소인 것인 열 용착 코팅 방법.
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 측정 단계는 접촉식 센서 및 비접촉식 센서에 의해 실행되는 것인 열 용착 코팅 방법.
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 측정 단계는 공작물의 전체 표면 상에 있어서 온도를 측정하는 센서에 의해 실행되는 것인 열 용착 코팅 방법.
제2항에 있어서,

(i) 상기 표준 편차가 제2 사전 선택 표준 편차(S2)보다 큰 경우, 단계 (a) 내지 단계 (g)를 반복하는 단계를 더 포함하는 열 용착 코팅 방법.
제3항에 있어서, 상기 표면과 상기 용착 헤드 사이의 상대 운동은 상기 조정 단계 (h)에서 증대되는 것인 열 용착 코팅 방법.
제12항에 있어서,

(j) 상기 표준 편차를 제1 사전 선택 표준 편차(S1)와 비교하는 단계와;

(k) 상기 표준 편차가 제1 사전 선택 표준 편차(S1)보다 큰 경우, 상기 제어 가능한 조건 중 적어도 하나를 조정하는 단계를 더 포함하는 열 용착 코팅 방법.
제14항에 있어서, 상기 표면과 용착 헤드 사이의 상대 운동은 단계 (k)에서 조정되는 것인 열 용착 코팅 방법.
제14항에 있어서, 상기 극저온 냉각제의 유량은 단계 (k)에서 조정되는 것인 열 용착 코팅 방법.
제14항에 있어서, 상기 공작물 상으로의 극저온 냉각제의 유량은 단계 (e)에서 조정되는 것인 열 용착 코팅 방법.
제15항에 있어서, 상기 공작물 상으로의 극저온 냉각제의 유량은 단계 (e)에서 조정되는 것인 열 용착 코팅 방법.
제2항, 제3항, 제12항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 극저온 냉각제를 제공하는 냉각제 수단은 상기 용착 헤드에 부착되어 함께 이동하는 것인 열 용착 코팅 방법.
공작물의 열 용착 코팅을 위한 장치로서:

a. 공작물의 열 전도성 표면 상으로 재료를 열적으로 용착하는 용착 헤드와 열 코팅 장치 제어기를 구비한 열 용착 코팅 장치;

b. 공작물을 홀딩하는 공작물 홀더 및 상기 공작물 홀더의 동작 제어기;

c. 적어도 하나의 냉각제 분배기 및 냉각제 흐름 제어기;

d. 공작물의 표면 상에 있어서 복수 개의 위치에서 온도를 동시에 측정하는하나 이상의 온도 센서;

e. 상기 온도 센서로부터 입력을 받아 상기 온도 센서에 의해 측정된 온도의 평균 온도를 결정하고, 공작물에 대하여 사전에 선택된 최저 온도 및 최고 온도와 상기 평균 온도를 비교하여, 상기 평균 온도가 상기 공작물에 대하여 사전에 선택된 최저 온도와 최고 온도 사이에 있지 않은 경우 상기 제어기 중 적어도 하나와 자동으로 통신하며, 상기 평균 온도와 상기 측정된 온도의 누적 사이의 표준편차를 결정하고, 상기 표준 편차를 사전 선택 표준 편차와 비교하여, 상기 표준 편차가 제2 사전 선택 표준 편차(S2)보다 큰 경우 상기 코팅 용착을 중지시키거나, 상기 표준 편차가 제1 사전 선택 표준 편차(S1)보다 큰 경우 상기 제어 가능한 조건 중 적어도 하나를 조정하는 컴퓨터

를 포함하는 열 용착 코팅 장치.