KR20120065251A

KR20120065251A - 플라즈마 용사 장치

Info

Publication number: KR20120065251A
Application number: KR1020110131022A
Authority: KR
Inventors: 마사노부 스기모토; 켄이치 야마다; 마사노부 이리에
Original assignee: 가부시키가이샤 후지엔지니어링; 야마다 긴조쿠 보쇼쿠 가부시키가이샤; 니시니혼 고소쿠도로 가부시키가이샤
Priority date: 2010-12-10
Filing date: 2011-12-08
Publication date: 2012-06-20
Also published as: JP2012121009A; CN102534458A; KR101817626B1; TWI650182B; JP5649942B2; CN102534458B; TW201233449A

Abstract

용적으로 된 입자 표면의 산화를 저감함으로써 산화물이 적은 용사 피막을 형성하는 것이 가능한 플라즈마 용사 장치의 제공.
음극(40)의 외주에 1차 가스 통로(11)를 형성하여 음극(40)의 선단부를 씌우는 1차 가스 노즐(10)과, 1차 가스 노즐(10)의 외측에 배치되어 2차 가스 통로(21)를 형성하는 2차 가스 노즐(20)과, 1차 가스 노즐(10)과 2차 가스 노즐(20) 사이에, 플라즈마 플레임(F)의 외주부에 플라즈마 플레임(F)의 열을 받아 고온의 가스 분사로 하기 위한 3차 가스를 분사하는 3차 가스 통로(31)를 형성하는 3차 가스 노즐(30)을 구비한다.

Description

플라즈마 용사 장치{A PLASMA SPRAYING APPARATUS}

본 발명은 전기전도성의 와이어에 플라즈마 아크를 이행시키고 플라즈마 플레임을 발생시켜, 와이어를 용적(溶滴)으로 만들면서 분사하는 플라즈마 용사 장치에 관한 것이다.

도 7은 종래의 플라즈마 용사 장치를 모식적으로 도시한 단면도이다. 도 7에 도시하는 바와 같이, 종래의 플라즈마 용사 장치(90)는 1차 가스 통로(91a)를 형성하는 1차 가스 노즐(91)과, 1차 가스 노즐(91)의 외측에 배치되어 2차 가스 통로(92a)를 형성하는 2차 가스 노즐(92)과, 1차 가스 노즐(91)의 노즐구(91b) 및 2차 가스 노즐(92)의 노즐구(92a)의 대략 중심축 위에 배치된 음극(93)과, 전원 장치(94)와, 2차 가스 노즐(92)의 노즐구(92a)의 근방에 용사용의 전기전도성의 와이어(W)를 공급하는 와이어 가이드 구멍(95)을 구비한다.

와이어(W)는 와이어 가이드 구멍(95)으로부터 노즐구(92a)의 중심축을 향하여 비듬하히 전방으로 공급된다. 그리고, 1차 가스 통로(91a)로부터 분출되는 1차 가스가, 전원 장치(94)의 양극측과 2차 가스 노즐(92)을 통하여 간접적으로 접속된 와이어(W)와, 전원 장치(94)의 음극측과 접속된 음극(93) 사이에 발생하는 아크에 의해 플라즈마화되고 플라즈마 플레임(F)으로 되어, 와이어(W)를 용적(D)으로서 분사한다. 이 용적(D)은 2차 가스 통로(92a)로부터 2차 가스 노즐(92)의 전방으로 분사되는 2차 가스에 의해 더욱 미세화되고, 더욱 가속되어 피처리물(T) 위에 분사되어, 용사 피막(S)을 형성한다.

또한, 이러한 종래의 플라즈마 용사 장치(90)에서는, 1차 가스로서 질소 가스나 아르곤 가스 등의 불활성 가스가 사용되고, 2차 가스로서 압축 에어, 질소 가스나 탄산 가스 등의 가스가 사용되는 것으로 되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조.). 그렇지만, 실제의 운용의 경우는, 2차 가스로서 질소 가스나 탄산 가스 등은 운전 비용이 높아지기 때문에, 저비용인 압축 에어를 이용한다. 플라즈마 용사 장치(90)에서는, 이 2차 가스인 압축 에어에 의해 플라즈마화된 1차 가스를 감쌈으로써, 플라즈마화된 1차 가스의 분사를 가늘게 할 수 있고, 게다가 1차 가스의 고속화를 달성하는 것이 가능하게 되어 있다.

일본 특개 평9-308970호 공보

(발명의 개요)

(발명이 해결하고자 하는 과제)

그런데, 종래의 플라즈마 용사 장치(90)에서는, 용융한 와이어(W)의 용적(D)을 2차 가스의 분사에 의해 더욱 작은 것으로 함과 아울러, 각 용적(D)에 충분한 속도를 부여하고 있기 때문에, 용사 피막(S) 중의 금속 재료는, 용융시에 2차 가스인 압축 에어의 급격한 집중에 의해, 플라즈마 플레임(F)의 외주부로부터 교란이 발생한다. 그 때문에, 용적(D)으로 된 입자의 표면이 산화되, 용사 피막(S) 중에 금속 재료의 산화물을 포함하게 된다.

그래서, 본 발명에서는, 용적으로 된 입자 표면의 산화를 저감함으로써 산화물이 적은 용사 피막을 형성하는 것이 가능한 플라즈마 용사 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

(과제를 해결하기 위한 수단)

본 발명의 플라즈마 용사 장치는 음극과, 이 음극의 외주에 1차 가스 통로를 형성하여 음극의 선단부를 씌우는 1차 가스 노즐과, 이 1차 가스 노즐의 외측에 배치되어 2차 가스 통로를 형성하는 2차 가스 노즐과, 이 2차 가스 노즐의 노즐구의 근방에 용사용의 와이어를 공급하는 와이어 통로를 구비하고, 와이어 통로로부터 공급되는 와이어의 선단과 음극 사이에 발생하는 아크에 의해 1차 가스 노즐로부터 분사되는 1차 가스를 플라즈마화하고, 1차 가스 노즐로부터 분사되는 플라즈마 플레임을 형성하여 와이어의 선단을 용적으로 만들고 이 용적을 플라즈마 플레임과 2차 가스 노즐로부터 분사하는 2차 가스에 의해 피처리물 위에 분사하는 플라즈마 용사 장치에 있어서, 1차 가스 노즐과 2차 가스 노즐 사이에, 플라즈마 플레임의 외주부에 플라즈마 플레임의 열을 받아 고온의 가스 분사로 하기 위한 3차 가스를 분사하는 3차 가스 통로를 형성하는 3차 가스 노즐을 구비한 것이다.

본 발명의 플라즈마 용사 장치에 의하면, 1차 가스 통로와 2차 가스 통로 사이에 배치되어 있는 3차 가스 통로로부터 분사되는 3차 가스 흐름의 내측이 플라즈마 플레임의 열을 받아 고온의 가스 분사를 형성한다. 이 고온의 가스 분사에 의해, 그 외측으로 분사되는 2차 가스의 급격한 집중에 의해 플라즈마 플레임의 외주부로부터 발생하는 교란이 억제되어, 플라즈마 플레임의 확산이 방지되므로, 용적으로 된 입자의 표면의 산화가 저감된다.

여기에서, 3차 가스로서는 압축 에어나 탄산 가스 등을 사용할 수 있는데, 3차 가스로서 아르곤 가스나 질소 가스 등의 불활성 가스를 사용하는 것이 바람직하다. 3차 가스로서 불활성 가스를 사용한 경우에는, 2차 가스의 급격한 집중에 의해 플라즈마 플레임의 외주부로부터 발생하는 교란을 방지함과 아울러, 플라즈마 플레임의 외주부에 플라즈마 플레임의 열을 받은 고온의 불활성 가스 분사가 형성된다. 이것에 의해, 용적의 입자는 고온의 불활성 가스 분사 속에서 미세화되고, 가속되기 때문에, 2차 가스에 의한 산화로부터 보호된다.

또한 본 발명의 플라즈마 용사 장치에서는, 1차 가스에 압축 에어를 사용한 경우에도, 산화가 적은 용사 피막을 형성하는 것이 가능하다. 1차 가스에 압축 에어를 사용한 경우, 1차 가스에는 약 20%의 산소를 포함하게 되는데, 가스가 플라즈마화하고 있는 상태에서는, 용해 금속을 산화시키는 작용이 적은 것으로 되어 있기 때문에, 압축 에어를 1차 가스로서 사용해도, 용사 피막의 산화는 적을 것이다. 그렇지만, 종래의 플라즈마 용사 장치에서는, 2차 가스의 급격한 집중에 의해 플라즈마 플레임이 교란된 경우에는, 용적의 산화가 과도하게 진행되기 때문에, 1차 가스에 압축 에어를 사용한 경우, 피막 품질이 저하된다. 한편, 본 발명의 플라즈마 용사 장치에서는, 3차 가스에 의해 플라즈마 플레임의 외주부에 플라즈마 플레임의 열을 받은 고온의 가스 분사를 형성하여, 2차 가스의 급격한 집중에 의한 플라즈마 플레임의 교란을 방지할 수 있기 때문에, 1차 가스에 압축 에어를 사용한 경우에도 산화가 적은 용사 피막을 형성할 수 있다.

(1) 1차 가스 노즐과 2차 가스 노즐 사이에, 플라즈마 플레임의 외주부에 플라즈마 플레임의 열을 받아 고온의 가스 분사로 하기 위한 3차 가스를 분사하는 3차 가스 통로를 형성하는 3차 가스 노즐을 구비함으로써, 플라즈마 플레임의 확산이 방지되어, 용적으로 된 입자의 표면의 산화가 저감되므로, 산화물이 적은 용사 피막을 형성하는 것이 가능하게 된다.

(2) 3차 가스로서 불활성 가스를 사용한 경우, 플라즈마 플레임의 외주부에 플라즈마 플레임의 열을 받은 고온의 불활성 가스 분사가 형성되어, 용적의 입자가 고온의 불활성 가스 분사 속에서 미세화되어, 가속되기 때문에, 2차 가스에 의한 산화로부터 더욱 보호되어, 보다 산화물이 적은 용사 피막을 형성하는 것이 가능하게 된다.

(3) 1차 가스로서 압축 에어를 사용한 경우이어도, 3차 가스에 의해 플라즈마 플레임의 외주부에 플라즈마 플레임의 열을 받은 고온의 가스 분사를 형성하여, 2차 가스의 급격한 집중에 의한 플라즈마 플레임의 교란을 방지할 수 있기 때문에, 산화가 적은 용사 피막을 형성하는 것이 가능하게 된다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 있어서의 플라즈마 용사 장치의 개략 구성도.
도 2는 도 1의 플라즈마 용사 토치의 주요부의 상세를 도시하는 종단면도.
도 3은 도 2의 화살표 A 부분의 도면.
도 4는 도 1의 플라즈마 용사 토치의 동작 설명도.
도 5는 와이어 통로의 단면 형상과 와이어가 받는 힘의 방향을 나타내는 설명도.
도 6은 자연 전위 측정 방법을 나타내는 설명도.
도 7은 종래의 플라즈마 용사 장치를 모식적으로 도시한 단면도.

(발명을 실시하기 위한 형태)

도 1은 본 발명의 실시형태에서의 플라즈마 용사 장치의 개략 구성도, 도 2는 도 1의 플라즈마 토치의 주요부의 상세를 도시하는 종단면도, 도 3은 도 2의 화살표 A 부분의 도면, 도 4는 도 1의 플라즈마 토치의 동작 설명도이다.

도 1에 있어서, 본 발명의 실시형태에서의 플라즈마 용사 장치(1)는 플라즈마 플레임에 의해 용적으로 만든 와이어(W)를 피처리물 위에 분사하는 플라즈마 용사 토치(2)와, 플라즈마 용사 토치(2)에 1차 가스 및 2차 가스를 공급하는 가스 공급원(3)과, 플라즈마 용사 토치(2)에 동작 전력을 공급하는 전원(4)과, 와이어(W)가 권회된 와이어 릴(5)과, 와이어 릴(5)로부터 당겨 내지는 와이어(W)의 감김 자국을 교정하는 와이어 교정기(6)와, 와이어(W)를 와이어 송출 튜브(8)에 의해 플라즈마 용사 토치(2)에 공급하는 와이어 공급 기구(7)를 갖는다.

도 2에 도시하는 바와 같이, 플라즈마 용사 토치(2)는 1차 가스 통로(11)를 형성하는 1차 가스 노즐(10)과, 1차 가스 노즐(10)의 외측에 배치되어 2차 가스 통로(21)를 형성하는 2차 가스 노즐(20)과, 1차 가스 노즐(10)과 2차 가스 노즐(20) 사이에 배치되어 3차 가스 통로(31)를 형성하는 3차 가스 노즐(30)과, 1차 가스 노즐(10)의 노즐구(12) 및 2차 가스 노즐(20)의 노즐구(22)의 대략 중심축 위에 배치된 음극(40)과, 2차 가스 노즐(20)의 노즐구(22)의 근방에 용사용의 와이어(W)를 공급하는 와이어 통로(50)를 구비한다.

1차 가스 노즐(10)은 음극(40)의 선단부를 씌우도록 형성되어 있고, 음극(40)의 외주에 1차 가스 통로(11)를 형성하고 있다. 이 1차 가스 통로(11)에 공급되는 1차 가스는 플라즈마 플레임을 발생시켜, 와이어의 선단을 용적으로 하기 위한 가스이며, 질소 가스나 아르곤 가스 등의 불활성 가스이다. 또는, 이 1차 가스로서 압축 에어를 사용하는 것도 가능하다. 1차 가스 통로(11)에 의해 공급되는 1차 가스는 음극(40)의 외주를 선회하면서 공급되고, 1차 가스 노즐(10)의 노즐구(12)로부터 2차 가스 노즐(20)의 전방으로 분사된다.

3차 가스 노즐(30)은 1차 가스 노즐(10)의 외측을 감싸도록 형성되어 있고, 1차 가스 노즐(10)의 외주에 3차 가스 통로(31)를 형성하고 있다. 3차 가스는 1차 가스에 의해 발생시키는 플라즈마 플레임의 외주부에 플라즈마 플레임의 열을 받아 고온의 가스 분사를 형성하기 위한 가스이며, 압축 에어나 탄산 가스 등의 가스이다. 2차 가스 노즐(20)은 3차 가스 노즐(30)의 외측을 감싸도록 형성되어 있고, 3차 가스 노즐(30)의 외주에 2차 가스 유로(21)를 형성하고 있다. 2차 가스는 1차 가스로 형성되는 플라즈마 플레임의 분사에 대하여 외측으로부터 급격하게 집중하도록 분사하여, 용적을 더욱 작은 것으로 함과 아울러, 용적에 충분한 속도를 부여하여 피처리물 위에 분사하기 위한 가스이며, 압축 에어나 탄산 가스 등의 가스이다.

1차 가스는, 가스 유량의 변화에 의해 플라즈마 플레임의 온도나, 속도 및 발생 전압을 적당하게 변화시키기 하여, 그 유량은 50?120[L/분]의 범위로 하는 것이 바람직하다. 또한, 1차 가스의 유량이 50[L/분] 미만인 경우, 플라즈마 플레임의 속도가 늦어져, 용사 피막의 품질이 저하된다. 한편, 1차 가스의 유량이 120[L/분] 초과의 경우, 플라즈마 플레임의 속도가 빨라, 온도가 저하되기 때문에, 용사 피막의 품질이 저하된다.

2차 가스는, 상기한 바와 같이, 1차 가스에서 형성되는 플라즈마 플레임의 분사에 대하여 외측으로부터 급격하게 집중하도록 분사하여, 용적을 더욱 작은 것으로 함과 아울러, 용적에 충분한 속도를 부여하기 위하여, 그 유량은 250?500[L/분]으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 2차 가스의 유량이 250[L/분] 미만의 경우에는, 용적을 작은 것으로 하기에는 부족하고, 또한 용적에 충분한 속도를 부여하는 효과가 적어지기 때문에, 용사 피막의 품질이 저하된다. 한편, 2차 가스의 유량이 500[L/분] 초과의 경우에는, 용적을 과잉으로 작은 것으로 함과 아울러, 용적을 과잉으로 냉각하게 되어, 용사 피막의 품질이 저하된다.

3차 가스는, 상기한 바와 같이 1차 가스에 의해 발생시키는 플라즈마 플레임의 외주부에 플라즈마 플레임의 열을 받아 고온의 가스 분사를 형성하기 때문에, 체적비로 1차 가스의 유량의 20?50%의 범위로 하고, 또한, 2차 가스 분사에 의한 플라즈마 플레임의 교란이나 가스 확산을 억제하기 위하여, 체적비로 2차 가스의 유량의 5?10%의 범위로 하는 것이 바람직하다. 또한 2차 가스 분사에 의한 플라즈마 플레임의 교란이나 가스 확산의 효과를 보다 유효하게 발휘시키기 위해서는, 3차 가스의 유량은 2차 가스의 유량의 증감에 연동하여 변화시켜, 2차 가스의 유량이 적은 경우에는 3차 가스의 유량도 적게 하고, 2차 가스의 유량이 많은 경우에는 3차 가스의 유량도 많게 하는 것이 바람직하다.

또한, 3차 가스의 유량이, 1차 가스의 유량의 20% 미만 혹은 2차 가스의 유량의 5% 미만의 경우, 3차 가스의 분사에 의해 플라즈마 플레임의 교란이나 가스 확산을 억제하는 효과가 적어지기 때문에, 용사 피막의 품질 향상의 효과를 얻기 어렵게 된다. 한편, 3차 가스의 유량이, 1차 가스의 유량의 50% 초과 혹은 2차 가스의 유량의 10% 초과의 경우, 3차 가스의 분사가 강하게 발생하고 있기 때문에, 그 내측이 플라즈마 플레임의 열을 받아 고온의 가스 분사를 형성하는 것이 불충분하게 되어, 플라즈마 플레임의 교란이나 가스 확산을 억제하는 효과를 충분히 발휘할 수 없게 되기 때문에, 용사 피막의 품질 향상의 효과를 얻기 어렵게 된다.

와이어 통로(50)는 2차 가스 노즐(20)의 노즐구(22)의 근방에 형성된 와이어 출구(51b)를 갖는 1차 와이어 통로(51a)와, 이 1차 와이어 통로(51a)에 대하여 소정의 경사각(θ)으로 와이어(W)를 공급하는 2차 와이어 통로(52a)로 구성된다. 와이어 통로(50)는 1차 와이어 통로(51a)와 2차 와이어 통로(52a)에 의하여 와이어(W)에 탄성 한계를 초과하지 않는 범위의 구부러짐을 부여하는 것이다.

도 3에 도시하는 바와 같이, 1차 와이어 통로(51a)는 플라즈마 플레임의 뻗음 방향으로 긴 대략 장방형 단면 형상을 갖고, 2차 가스 노즐(20)의 외측에 배치된 1차 와이어 안내 부재(51)를 직선 형상으로 관통하여 형성되어 있다. 마찬가지로, 2차 와이어 통로(52a)도, 플라즈마 플레임의 뻗음 방향으로 긴 대략 장방형 단면 형상을 갖고, 1차 와이어 통로(51a)로부터 떨어진 위치에 배치된 2차 와이어 안내 부재(52)를 직선 형상으로 관통하여 형성되어 있다.

1차 와이어 통로(51a)의 장변 방향의 폭(a)은 와이어(W)의 직경(d)보다도 10%이상 또한 95% 이하의 범위에서 크게 설정되어 있다. 또한 1차 와이어 통로(51a)의 단변 방향의 폭(b)은 와이어(W)의 직경(d)보다 3% 이상 또한 10% 미만의 범위에서 크게 설정되어 있다. 또한, 본 실시형태에서의 와이어(W)의 직경(d)은 1.6mm이며, 장변 방향의 폭(a)은 와이어(W)의 직경(d)보다도 0.2?1.5mm 정도 크고, 단변 방향의 폭(b)은 와이어(W)의 직경(d)보다도 0.05?0.15mm 정도 크게 설정되어 있다. 2차 와이어 통로(52a)에 대해서도 마찬가지이다.

또한, 1차 와이어 통로(51a) 및 2차 와이어 통로(52a)가 갖는 대략 장방형 단면 형상이란 장방형 단면 형상 이외에, 장방형 단면 형상의 코너부가 와이어(W)의 외면이 접하지 않는 범위에서 C 모따기나 R 모따기 등의 가공이 시행되어 있는 형상을 포함하는 것으로 한다. 따라서, 본 실시형태에서 와이어(W)는 1차 와이어 통로(51a) 및 2차 와이어 통로(52a) 내에서 장변 방향의 평면 또는 단변 방향의 평면의 어느 평면에 대해서도 수직 방향의 힘만을 받게 된다.

또한 2차 와이어 통로(52a)의 1차 와이어 통로(51a)에 대한 경사각(θ)은 1차 와이어 통로(51a)의 중심선과 2차 와이어 통로(52a)의 중심선이 이루는 각이다. 본 실시형태에서는, 경사각(θ)은 1?5° 정도로 설정해 있다. 또한 2차 와이어 안내 부재(52)는 1차 와이어 통로(51a)와 2차 와이어 통로(52a)가 간극(c)을 사이에 두고 배치되는 위치에 설치되어 있다. 본 실시형태에서는 간극(c)은 3?10mm 정도로 설정되어 있다.

이와 같이 본 실시형태에서의 플라즈마 용사 토치(2)에서는, 1차 와이어 통로(51a)와 2차 와이어 통로(52a)가 간극(c)을 사이에 두고 배치됨으로써 각각 직선 형상의 1차 와이어 통로(51a)와 2차 와이어 통로(52a)에 의하여 유사적으로 큰 곡선 형상의 와이어 통로(50)를 형성하고, 와이어(W)에 탄성 범위를 초과하지 않는 범위의 구부러짐을 부여한다. 또한, 1차 와이어 통로(51a) 및 2차 와이어 통로(52a)를 각각 곡선 형상으로 하는 것도 가능하다.

전원(4)의 양극측은 1차 와이어 안내 부재(51)에 접속되어 있고, 이 1차 와이어 안내 부재(51)의 1차 와이어 통로(51a) 내를 통과하는 와이어(W)에 대하여 간접적으로 접속되어 있다. 한편, 전원(4)의 음극측은 음극(40)에 접속되어 있다. 또한, 전원(4)의 양극측은 와이어(W)에 직접 접속되는 경우도 있다.

상기 구성의 플라즈마 용사 장치(1)에서는, 와이어 릴(5)에 감긴 와이어(W)가 와이어 공급 기구(7)에 의해 플라즈마 용사 토치(2)에 송급될 때, 와이어(W)의 강한 감김 자국이 와이어 교정기(6)에 의해 교정되어 완만한 곡선 형상으로 펴진다. 그리고, 와이어(W)는 와이어 송출 튜브(8)를 통하여 와이어 통로(50)에 공급된다. 와이어 통로(50)에서는, 와이어(W)는 1차 와이어 통로(51a) 및 2차 와이어 통로(52a) 내에서 장변 방향의 평면 또는 단변 방향의 평면의 어느 평면에 대해서도 수직 방향의 힘만을 받고, 도 4에 도시하는 바와 같이, 플라즈마 플레임(F)의 신장 방향으로 탄성 한계를 초과하지 않는 범위의 구부러짐이 부여된다.

여기에서, 1차 와이어 통로(51a) 및 2차 와이어 통로(52a)는 플라즈마 플레임(F)의 뻗음 방향으로 긴 대략 장방형 단면 형상을 가지므로, 변형 부분은 플라즈마 플레임(F)의 뻗음 방향으로 빠져나간다. 특히, 본 실시형태에서는, 단변 방향의 폭(b)이 와이어(W)의 직경(d)보다 3% 이상 또한 10% 미만의 범위에서 크게 설정되어 있을 뿐이기 때문에, 플라즈마 플레임(F)의 뻗음 방향에 대하여 직각 방향으로는 빠져나가지 못한다. 따라서, 와이어(W)의 선단 부분은 플라즈마 플레임(F)의 뻗음 방향에 대해서는 다소의 위치 벗어남이 발생해도, 플라즈마 플레임(F)의 뻗음 방향에 대하여 직각 방향으로의 위치 벗어남은 방지되어, 플라즈마 플레임(F)의 축선 위에 위치하게 된다.

도 5는 와이어 통로의 단면 형상과 와이어가 받는 힘의 방향을 나타내고 있다. 도 5에서, 대략 장방형 단면(A)은 장방형 단면 형상, 대략 장방형 단면(B)은 장방형 단면 형상의 코너부가 와이어(W)의 외면이 접하지 않는 범위에서 C 모따기 가공이 시행되어 있는 형상, 대략 장방형 단면(C)은 장방형 단면 형상의 코너부가 와이어(W)의 외면이 접하지 않는 범위에서 R 모따기 가공이 시행되어 있는 형상이다. 이들 대략 장방형 단면 형상에서는, 와이어(W)가 장변 방향의 평면에 접해도 단변 방향의 평면에 접해도, 각각의 평면에 대하여 수직 방향의 힘만을 받게 된다.

와이어(W)는, 와이어 교정 기구(7)에 의해서도 완전히 직선 형상으로는 교정할 수 없기 때문에, 변형 부분이 남아있다. 그리고, 와이어 송출 튜브(8)는, 작업시의 플라즈마 용사 토치(2)를 손으로 잡아 돌림으로써, 여러 상태로 구부러져 형상이 변화되어 일정한 형상으로는 되지 않는다. 그 때문에, 이와 같이 형상이 일정하게 되지 않는 와이어 송출 튜브(8) 내를 변형 부분이 남은 와이어(W)가 송출되어 오면, 와이어 송출 튜브(8)의 형상에 맞추어 와이어(W)에 구부림이나 뒤틀림의 힘이 작용한다. 이 구부림이나 뒤틀림의 힘에 의해 와이어(W)는 탄성 한도 내에서는 스프링과 같이 자유롭게 구부러지면서, 힘의 방향이 안정된 위치에서 와이어 송출 튜브(8) 내를 구불구불 이동하면서 송출되어 가게 된다.

이 때, 상기의 대략 장방형 단면 형상에서는, 와이어(W)가 단변 방향의 평면에 접한 경우에는, 이 단변 방향의 평면에 대하여 수직 방향, 즉 플라즈마 플레임(F)의 뻗음 방향(이하, 「X 방향」이라고 칭한다.)의 힘을 받게 되어, 변형 부분은 플라즈마 플레임(F)의 뻗음 방향으로 빠져나간다. 그리고, 이 단변 방향의 평면에만 접촉하고 있을 때에, 플라즈마 플레임(F)의 뻗음 방향에 대하여 직각 방향(이하, 「Y 방향」이라고 칭한다.)의 힘이 걸렸을 경우에는, 와이어(W)는 단변 방향의 폭(b)의 간극분만큼 자유롭게 이동하고, 장변 방향의 평면에 접하지만, 이 경우도 장변 방향의 평면에 대하여 수직 방향(Y 방향)의 힘이 작용하기 때문에, 와이어(W)의 위치가 안정하다. 특히, 뒤틀림의 힘을 받은 경우에는, X 방향과 Y 방향의 힘으로서 단변 방향과 장변 방향의 힘으로 분산되어, 각 면에 대하여 수직 방향에 힘이 작용하고, 와이어(W)의 뒤틀림를 억제하는 작용을 하기 때문에, 와이어(W)의 위치는 안정하다.

한편, 원형 단면이나 타원형 단면의 경우에는, 와이어(W)는 원형 단면이나 타원형 단면의 곡면에 접하면, 이 곡면에 대하여 수직 방향의 힘만을 받게 되고, 와이어(W)는 곡면을 따라 자유롭게 이동할 수 있다. 특히, 뒤틀림의 힘을 받은 경우에, 와이어(W)는 곡면을 따라 자유롭게 회전하기 때문에, 와이어(W)의 뒤틀림를 억제하지 못한다. 이 때문에, 와이어(W)가 받는 힘의 방향이 정해지지 않아, 와이어(W)의 위치는 부정으로 된다.

이와 같이, 본 실시형태에서의 플라즈마 용사 장치(1)에서는, 와이어(W)의 선단 부분은 플라즈마 플레임(F)의 중심부에 와이어(W)를 안정하게 공급할 수 있다. 그리고, 1차 가스 통로(11)로부터 분출되는 1차 가스가, 전원(4)의 양극측에 1차 와이어 안내 부재(51)를 통하여 간접적으로 접속된 와이어(W)와, 전원(4)의 음극측에 접속된 음극(40) 사이에 발생하는 아크에 의해 플라즈마화 되어 플라즈마 플레임(F)으로 되고, 와이어(W)를 용적(D)으로 만들어 분사한다. 이 용적(D)은 2차 가스 통로(21)로부터 2차 가스 노즐(20)의 전방으로 분사되는 2차 가스에 의해 더욱 미세화되고, 더욱 가속되어 피처리물(T) 위에 분사되어, 용사 피막(S)을 형성한다.

이 때, 본 실시형태에서의 플라즈마 용사 장치(1)에서는, 1차 가스 통로(11)와 2차 가스 통로(21) 사이에 배치되어 있는 3차 가스 통로(31)로부터 분사되는 3차 가스 흐름의 내측이 플라즈마 플레임(F)의 열을 받아 고온의 가스 분사(G)를 형성한다. 이 고온의 가스 분사(G)에 의해, 그 외측으로 분사되는 2차 가스의 급격한 집중에 의해 플라즈마 플레임(F)의 외주부로부터 발생하는 교란을 억제함으로써, 플라즈마 플레임(F)의 가스 확산을 방지할 수 있어, 용적(D)으로 된 입자의 표면의 산화가 저감된다. 이것에 의해, 피처리물(T) 위에 산화가 적은 용사 피막(S)을 형성하는 것이 가능하게 되어 있다.

또한 이와 같이 본 실시형태에서의 플라즈마 용사 장치(1)에서는, 3차 가스에 의해 플라즈마 플레임(F)의 외주부에 플라즈마 플레임(F)의 열을 받은 고온의 가스 분사를 형성하여, 2차 가스의 급격한 집중에 의한 플라즈마 플레임(F)의 교란을 방지할 수 있기 때문에, 1차 가스로서 압축 에어를 사용한 경우이어도, 산화가 적은 용사 피막(S)을 형성하는 것이 가능하다.

또한 3차 가스로서 불활성 가스인 질소 가스나 아르곤 가스 등을 사용한 경우에는, 전술한 바와 같이 2차 가스의 급격한 집중에 의해 플라즈마 플레임(F)의 외주부로부터 발생하는 교란을 방지함과 아울러, 플라즈마 플레임(F)의 외주부에 플라즈마 플레임(F)의 열을 받은 고온의 불활성 가스 분사가 형성된다. 이것에 의해 용적(D)의 입자는, 고온의 불활성 가스 분사에 의해 입자의 성분 변화가 방지된 상태에서 미세화되어, 가속되기 때문에, 2차 가스에 의한 산화로부터 보호된다. 이것에 의해, 더욱 산화가 적은 용사 피막(S)을 형성하는 것이 가능하게 된다.

또한, 본 실시형태에서는, 1차 와이어 통로(51a) 및 2차 와이어 통로(52a) 양쪽을 플라즈마 플레임의 뻗음 방향으로 긴 대략 장방형 단면 형상을 갖는 것으로 하고 있지만, 어느 한쪽만을 플라즈마 플레임의 뻗음 방향으로 긴 대략 장방형 단면 형상을 갖는 것으로 하는 것도 가능하다. 이 경우, 플라즈마 플레임의 뻗음 방향으로 긴 대략 장방형 단면 형상을 갖는 1차 와이어 통로 또는 2차 와이어 통로에 의해, 와이어(W)의 변형 부분을 플라즈마 플레임(F)의 뻗음 방향으로 빠져나가게 하여, 와이어(W)의 선단 부분을 플라즈마 플레임(F)의 중심부에 공급할 수 있다.

(실시예)

3차 가스로서 압축 에어 및 불활성 가스인 질소 가스를 사용한 경우와, 3차 가스를 사용하지 않은 경우에서, 비교시험을 실시했다. 본 실시예에서는, 용사 재료로서 알루미늄계 합금을 사용하여, 용사 피막의 산화 정도의 지표로서 용사 피막의 자연 전위를 측정하고, 3차 가스의 효과를 확인했다. 또한, 러닝코스트 저감의 수법으로서, 1차 가스, 2차 가스 및 3차 가스의 모든 가스를, 저렴한 압축 에어를 사용해서 용사 피막을 작성하고, 용사 피막의 자연 전위를 측정하고, 3차 가스의 효과를 확인했다. 도 6은 자연 전위 측정 방법을 나타내는 설명도이다.

도 6에 도시하는 바와 같이, 자연 전위의 측정은, 포화 KCL의 염 다리(鹽橋)를 사용하여 시험편(시험 TP)의 용사 피막 표면에 5w%NaCl의 환경을 만들고, 대조 전극으로서 포화 염화은 전극을 사용하여, 테스터에 의해 자연 전위를 측정했다. 또한, 전위의 측정 수치를 안정시키기 위하여, 측정 개시부터 600초 후의 전위를 측정값으로 했다. 시험결과의 정리를 표 1에, 표 1의 각 조건에서의 피막의 자연 전위 측정 결과를 표 2에 나타낸다.

표 1에 나타내는 바와 같이, 3차 가스를 사용하지 않는 경우와 3차 가스에 압축 에어를 사용한 경우에서는, 3차 가스에 압축 에어를 사용한 쪽이 약 60mV 낮은 전위를 나타냈다. 또한 3차 가스에 불활성 가스인 질소 가스를 사용한 경우에서는, 약 150mV 낮은 값을 나타냈다. 또한, 모든 가스를 저렴한 압축 에어를 사용한 경우에서는, 약 50mV 낮은 값을 나타냈다. 이것으로부터, 3차 가스를 이용함으로써 용사 피막 내부의 산화가 적은 것을 확인할 수 있었다.

본 발명의 플라즈마 용사 장치는 강 구조물의 표면에 방청용 용사 피막을 형성하기 위한 장치로서 유용하다.

1 플라즈마 용사 장치
2 플라즈마 용사 토치
3 가스 공급원
4 전원
5 와이어 릴
6 와이어 교정기
7 와이어 공급 기구
10 1차 가스 노즐
11 1차 가스 통로
12 노즐구
20 2차 가스 노즐
21 2차 가스 통로
22 노즐구
30 3차 가스 노즐
31 3차 가스 통로
40 음극
50 와이어 통로
51 1차 와이어 안내 부재
51a 1차 와이어 통로
52 2차 와이어 안내 부재
52a 2차 와이어 통로

Claims

음극과, 이 음극의 외주에 1차 가스 통로를 형성하여 상기 음극의 선단부를 씌우는 1차 가스 노즐과, 이 1차 가스 노즐의 외측에 배치되어 2차 가스 통로를 형성하는 2차 가스 노즐과, 이 2차 가스 노즐의 노즐구의 근방에 용사용의 와이어를 공급하는 와이어 통로를 구비하고, 상기 와이어 통로로부터 공급되는 상기 와이어의 선단과 상기 음극 사이에 발생하는 아크에 의해 상기 1차 가스 노즐로부터 분사되는 1차 가스를 플라즈마화하고, 상기 1차 가스 노즐로부터 분사되는 플라즈마 플레임을 형성하여 상기 와이어의 선단을 용적으로 만들고 이 용적을 상기 플라즈마 플레임과 상기 2차 가스 노즐로부터 분사하는 2차 가스에 의해 피처리물 위에 분사하는 플라즈마 용사 장치에 있어서,
상기 1차 가스 노즐과 상기 2차 가스 노즐 사이에, 상기 플라즈마 플레임의 외주부에 상기 플라즈마 플레임의 열을 받아 고온의 가스 분사로 하기 위한 3차 가스를 분사하는 3차 가스 통로를 형성하는 3차 가스 노즐을 구비한 것을 특징으로 하는 플라즈마 용사 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 3차 가스의 유량이 체적비로 상기 1차 가스의 유량의 20?50% 또한 상기 2차 가스의 유량의 5?10%인 것을 특징으로 하는 플라즈마 용사 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 3차 가스는 압축 에어 또는 탄산 가스인 것을 특징으로 하는 플라즈마 용사 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 3차 가스는 불활성 가스인 것을 특징으로 하는 플라즈마 용사 장치.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1차 가스는 압축 에어인 것을 특징으로 하는 플라즈마 용사 장치.