KR20140045351A - 액시얼 피드형 플라즈마 용사장치 - Google Patents

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Abstract

용융한 용사재료가 플라즈마 발생실 내 및 전극 및 플라즈마 제트 분사공에 부착되지 않도록 하고, 또, 용사재료 분사공으로부터 분출한 용사재료를 열효율 좋게 용융하여, 수율을 향상시키며, 또한, 용사재료의 입자지름이나 질량 등의 차이에 의해, 플라즈마 화염 외주부에서 반사하거나, 플라즈마 화염을 통과하여 비산하지 않도록 한다. 음극 전극(8)과 양극 노즐(2)은 한 쌍을 이루고, 상기 양극 노즐 전면(3)에는 3개 이상의 복수의 플라즈마 제트 분출공(4)을 형성함과 함께, 상기 분출공(4)에 둘러싸인 중심에 용사재료 분출공(5)을 형성한다. 용사재료를 상기 분출공(5)으로부터 분출하고, 복합 플라즈마 아크(31), 또는 복합 플라즈마 제트(32)의 축심에 투입한다.

Description

액시얼 피드형 플라즈마 용사장치{AXIAL FEED PLASMA SPRAYING DEVICE}
본 발명은, 액시얼 피드형(axial feed) 플라즈마 용사장치(溶射裝置)에 관한 것이다.
(1) 종래의 플라즈마 용사장치에 있어서의 용사재료의 공급 방법은, 노즐의 전방에 형성된 플라즈마 아크(plasma arc) 또는 플라즈마 제트(plasma jet)에 대하여 직각 방향으로부터 투입하는 외부 공급 방법이 주류였지만, 이 방식은, 용사재료의 입자지름과 질량이 작은 경우에는, 플라즈마 아크 또는 플라즈마 제트의 중심에 도달하기 전에 튀어 날아가고, 또, 입자지름과 질량이 큰 경우에는, 플라즈마 아크 또는 플라즈마 제트를 통과하기 위해서 사용 재료의 수율이 나쁘다고 하는 문제가 있었다.
최근에는, 서브 미크론 입자나 나노 입자의 현탁액 재료나 유기 금속 화합물의 액체 재료의 이용이 요구되고 있지만, 종래의 외부 공급 방법으로는 수율이 현저하게 나빠지기 때문에, 이들 재료는 용사재료로서 사용할 수 없다고 하는 문제가 있었다.
또, 용사 피막의 치밀성이나 밀착력을 향상시키는 것을 목적으로 하고, 용사재료 입자의 비행 속도의 고속화가 플라즈마 용사장치에 요구되고 있지만, 종래의 외부 공급 방법으로는, 고속화하면 할수록, 플라즈마 아크 또는 플라즈마 제트의 중심에 도달하기 전에 튀어 날아가는 용사재료 입자의 비율이 증가하기 때문에, 고속화할 수 없다고 하는 문제가 있었다.
(2) 이들 문제를 해소하는 방식으로서, 노즐 내의 플라즈마 발생실 내에서 용사재료를 공급하고, 플라즈마 제트 분출공(plasma jet jetting holes)으로부터 플라즈마 제트와 함께 용융한 용사재료를 분출시키는 액시얼 피드형 플라즈마 용사장치가 공지되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1, 2 참조).
그러나, 이들 특허문헌 1, 2의 경우, 용사재료의 용융은 노즐 내의 플라즈마 발생실 내에서 행해지기 때문에, 용융한 용사재료가 플라즈마 발생실 내 및 전극 선단과 플라즈마 제트 분출공에 부착하여 안정하고 연속적인 운전을 방해할 뿐만 아니라 제품에 스피트(spit)가 부착되는 문제가 있었다.
또, 플라즈마 제트 분출공으로부터 용사재료가 초고속으로 분출하기 때문에, 이 분출공의 마모가 심해지고, 노즐의 소모율이 높아진다고 하는 문제가 있었다.
또한, 플라즈마 발생실 내로 공급된 플라즈마 가스에 의해 플라즈마 발생실 내는 고압화되어 있기 때문에, 플라즈마 발생실 내로 용사재료를 공급하는 경우는, 용사재료 공급기에 배압이 작용해 버려, 재료 공급기의 내압 설계가 필요하게 된다고 하는 문제가 있었다.
한편, 특허문헌 3에는 플라즈마 제트 분출공을 복수로 분할시키면서 이 분할된 분출공을 평행하게 배치함으로써 피막 형성 면적의 확대를 도모하는 플라즈마 용사장치가 소개되고 있지만, 이 플라즈마 용사장치의 경우도, 상기한 액시얼 피드형 플라즈마 용사장치와 같은 문제가 있다.
(3) 특허문헌 4, 5, 6에는, 2개 내지 4개의 음전극과, 이것과 쌍이 되는 2개 내지 4개의 양극 노즐을 갖는 플라즈마 용사장치에 있어서, 각각의 양극 노즐로부터 나오는 플라즈마 화염('플라즈마 제트'라고도 한다)을 1점에 집중시키는 것이 개시되어 있다.
그러나, 상기 특허문헌 4 내지 6의 플라즈마 용사장치에서는, 용사 시간과 함께 발생하는 음극 노즐(cathode) 및 양극 노즐(anode nozzle)의 손상 상태의 언밸런스나, 작동 가스량의 언밸런스에 의하여, 1점에 집중한 후의 플라즈마 화염의 방향과 분사된 용사재료의 방향에 어긋남이 생겨, 열교환이 충분히 행해지지 않고, 용융되지 않은 용사재료가 주위에 비산하여, 수율이 현저하게 저하된다고 하는 문제가 있다.
또, 복수의 음전극이나 양극 노즐을 냉각하기 때문에, 냉각 통로가 복잡하게 되고, 그 때문에 냉각수의 에너지 로스가 커지며, 또, 메인터넌스 작업에도 상당히 수고와 시간이 걸린다고 하는 문제도 있다
특허문헌 1 : 일본공개특허공보 2002-231498호 특허문헌 2 : 일본공개특허공보 2010-043341호 특허문헌 3 : 일본공개특허공보 평 07-034216호 특허문헌 4 : 일본특허 제 4449645호 특허문헌 5 : 일본공개특허공보 소 60-129156호 특허문헌 6 : 일본공개특허공보 평 04-055748호
본 발명은, 상기 사정을 감안하여, 용융한 용사재료가 플라즈마 발생실 내 및 전극과 플라즈마 제트 분출공에 부착되지 않도록 하는 것을 목적으로 한다. 다른 목적은, 용사재료 분사공으로부터 분출한 용사재료를 열효율 좋게 용융하고, 수율의 향상을 도모하는 것이다. 또 다른 목적은, 용사재료의 입자지름이나 질량 등의 차이에 의해, 플라즈마 화염 외주부에서 반사 비산하거나, 통과하여 비산하지 않도록 하는 것이다.
(1) 이 발명은, 음극 전극과 양극 노즐, 및 플라즈마 가스 공급 수단과 용사재료 공급 수단을 갖는 플라즈마 토치(plasma torch)에 있어서, 상기 음극 전극과 상기 양극 노즐은 한 쌍을 이루고, 상기 양극 노즐에는, 그 축심(軸心)을 중심점으로 하는 동심원 선상에 간격을 두고 3개 이상의 플라즈마 제트 분출공을 형성하여, 플라즈마 제트 및 플라즈마 아크를 분기(分岐)시키도록 하고, 상기 양극 노즐의 선단면(先端面)에 있어서, 상기 플라즈마 제트 분출공으로 둘러싸인 중심부에는, 용사재료 분출공을 형성한 것을 특징으로 한다.
(2) 이 발명의 상기 플라즈마 제트 분출공은, 상기 노즐의 전방(前方)에서, 그 노즐의 축심 상의 교점에서 상기 각 플라즈마 제트 분출공으로부터 분출된 플라즈마 제트 또는 플라즈마 아크가 교차되도록 하기 위해서, 경사져 있는 것을 특징으로 한다.
(3) 이 발명의 상기 각 플라즈마 제트 분출공은, 상기 플라즈마 제트 분출공으로부터 분출된 플라즈마 제트가, 기재(基材)에 도달할 때까지의 사이에, 상기 양극 노즐의 축심 상의 한 지점에서 교차하지 않도록 하기 위해서, 상기 축심과 평행, 또는, 거의 평행하게 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
(4) 이 발명은, 플라즈마 토치 내의 플라즈마 발생실을 전실(前室)과 후실(後室)로 구획하고, 각각 플라즈마 가스 공급 수단을 설치하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이 발명의 플라즈마 가스 공급 수단은, 플라즈마 발생실 내에 있어서, 접선 방향으로 기울어져 설치됨으로써, 상기 플라즈마 가스 공급 수단으로부터 공급된 플라즈마 가스에 선회류가 발생하도록 구성하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
(5) 이 발명의 상기 양극 노즐의 전방에는, 서브 플라즈마 토치(sub plasma torch)가, 그 축심선이 메인 토치(main torch)의 축심선과 교차하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 한다. 이 발명의 상기 서브 플라즈마 토치는, 상기 메인 토치의 플라즈마 제트 또는 플라즈마 아크의 교점, 또는, 이 근방에서, 서브 플라즈마 제트 또는 서브 플라즈마 아크가 교차하는 것처럼 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.
(6) 이 발명의 상기 서브 플라즈마 토치가, 복수 배치되어 있는 것을 특징으로 한다. 이 발명의 상기 서브 플라즈마 토치의 배치 개수는, 메인 토치의 플라즈마 제트 분출공의 수와 동일한 것을 특징으로 한다. 이 발명의 상기 플라즈마 제트 분출공이, 3개 배치되고, 서브 플라즈마 토치가, 3개 배치되어 있는 것을 특징으로 한다. 이 발명의 상기 각 플라즈마 제트 분출공으로부터 분출되는 각 플라즈마 아크는, 바로 근처의 상기 서브 플라즈마 토치의 서브 플라즈마 아크와 연속하여 헤어핀 아크(hairpin arc)를 형성하며, 상기 각 헤어핀 아크는 서로 교차하지 않고 독립하고 있는 것을 특징으로 한다.
(7) 이 발명의 상기 서브 플라즈마 토치의 축심선이, 메인 플라즈마(main plasma) 제트의 축심선에 대하여, 수직 형상, 또는, 후방으로 경사져 있는 것을 특징으로 한다. 이 발명의 상기 양극 노즐의 선단에, 초고속 노즐을 설치하는 것을 특징으로 한다. 이 발명의 상기 용사재료 공급 수단이, 복수의 용사재료 공급공(供給孔)을 구비하고 있는 것을 특징으로 한다. 이 발명의 상기 음극 전극 및 양극 전극의 극성을, 반대의 극성으로 한 것을 특징으로 한다.
상기한 본 발명의 효과는, 다음과 같다.
(1) 용사재료를 플라즈마 발생실 내로 공급하지 않고, 노즐의 선단에서 끝에 두고 플라즈마 제트 또는 플라즈마 아크의 중심으로 공급(투입)하도록 구성함으로써, 용융한 용사재료가 플라즈마 발생실 내 및 전극과 플라즈마 제트 분출공에 부착되지 않는다. 이 때문에, 연속 안정 운전을 도모할 수 있음과 함께, 제품에 스피트가 부착되지 않는다. 따라서, 연속 안정 운전이 가능하게 됨과 함께 플라즈마 발생실 내에 용사재료 분출공이 위치하지 않기 때문에 용사재료 공급기 측에 배압이 작용하지 않고, 따라서 내압 설계가 필요하지 않게 됨과 함께, 노즐의 내구성의 향상을 도모할 수 있다.
(2) 플라즈마 제트 또는 플라즈마 아크를 노즐의 전방(前方)에 있어서 한 지점에서 교차되도록 플라즈마 분출공에 경사각을 가짐으로써, 용사재료 분출공으로부터 분출한 용사재료는, 이 플라즈마 제트 또는 플라즈마 아크로 감싸져서 균일하게 가열되어 용융하기 때문에, 열효율이 높고, 또, 고수율의 용사가 가능하다.
(3) 용사재료를 플라즈마 제트 또는 플라즈마 아크의 축심 고온역에 투입하기 위해, 용사재료의 입자지름이나 질량의 차이에 따라, 플라즈마 화염 외주부에서 반사 비산하거나 플라즈마 화염을 통과하여 비산하지 않기 때문에, 용사재료의 제조공정에서의 조립(造粒)이나 분급할 필요가 줄어, 염가의 용사재료를 사용할 수 있게 된다. 또, 분체에 한정되지 않고, 액체 형상의 용사재료도 임의로 사용할 수 있다.
(4) 각 플라즈마 제트 분출공은, 상기 플라즈마 제트 분출공으로부터 분출된 플라즈마 제트가, 기재에 도달할 때까지의 사이에, 상기 양극 노즐의 축심 상의 한 지점에서 교차하지 않도록 하기 위해서, 상기 축심과 평행, 또는, 거의 평행하게 형성되어 있으므로, 상기 플라즈마 제트 분출공으로부터 분출된 플라즈마 제트는 원통 형상으로 되면서 기재를 향하여 진행한다. 그 때문에, 용사재료 분출공으로부터 분사된 용사재료는, 분사 직후에, 직접 플라즈마 제트에 접촉하지 않고, 분기한 플라즈마 제트에 의하여 감싸진 공간에서, 대기와의 접촉을 억제하면서 기재로 향할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1을 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 2를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 3을 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 4를 나타내는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예 5를 나타내는 단면도이다.
도 6은 상기 실시예 5의 복합 토치의 측면도이다.
도 7은 상기 실시예 5의 메인 토치의 플라즈마 가스 공급 수단인 분사공의 확대 단면도이다.
도 8은 상기 실시예 5의 양극 노즐의 플라즈마 제트 분출공의 확대 종단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시예 6을 나타내는 단면도이다.
도 10은 상기 실시예 6의 측면도이다.
도 11은 본 발명의 실시예 7을 나타내는 종단면도이다.
도 12는 상기 실시예 7의 복합 토치의 측면도이다.
도 13은 본 발명의 실시예 8을 나타내는 종단면도이다.
도 14는 본 발명의 실시예 9를 나타내는 종단면도이다.
실시예 1
본 발명의 실시예 1은, 일단식(one-stage-type) 싱글 토치(sing torch)라고 칭해지는 용사장치에 관한 것이다. 도 1에 있어서, 도면부호 1은 본 발명에 따른 액시얼 피드형 플라즈마 용사장치로서의 토치이며, 한 쌍의 음극 전극과 양극 노즐, 즉, 1개의 음극 전극(8)과 1개의 양극 노즐(양극 전극)(2)을 구비하고 있다. 상기 음극 전극(8)은, 상기 토치(1)의 후단부에 형성되고, 상기 양극 노즐(2)은, 그 선단부에 형성되어 있다.
그리고, 이 양극 노즐(2)의 선단면(3)에는, 동심원 선상에 간격을 두고 3개소에 플라즈마 제트 분출공(4)이 형성되어 있음과 함께, 이 플라즈마 제트 분출공(4)에는, 상기 동심원의 중심을 통과하는 축심의 한 지점(교점)(P)에 있어서, 상기 플라즈마 제트 분출공(4)으로부터 분출한 플라즈마 제트(12)가 교차하도록 각각 경사각을 가지고 있다.
도면부호 5는, 상기 플라즈마 제트 분출공(4)이 배치된 동심원의 중심에 형성된 용사재료 분출공으로서, 이 용사재료 분출공(5)으로는 용사재료 공급기(도시되지 않음)에 연결된 용사재료 공급공(6)으로부터 용사재료가 공급된다.
도면부호 7은, 상기 양극 노즐(2) 내에 있어서, 상기 플라즈마 제트 분출공(4)의 후방에 형성된 플라즈마 발생실로서, 이 플라즈마 발생실(7) 내의 중심에는 음극 전극(8)이 설치되어 있고, 스위치(13)를 닫으면 전원(10)으로부터 양극 노즐(2)과 음극 전극(8) 사이에 고전류·저전압이 인가됨으로써, 음극 전극(8)의 전방에 플라즈마 아크(11)가 형성되고, 이 플라즈마 아크(11)는, 상기 복수의 플라즈마 제트 분출공(4)으로 분할(분기)되어 침입하고, 상기 분출공(4)으로부터 분출하며 상기 분출공(4) 끝의 교점(P)에서 교차되는 플라즈마 제트(12)를 형성한다.
도면부호 9는, 상기 플라즈마 발생실(7) 내로 플라즈마 가스(예를 들면 불활성 가스)를 공급하는 플라즈마 가스 공급 수단으로서, 본 실시예 1에서는 플라즈마 발생실(7) 내에 있어서 분사공(9a)을 접선 방향으로 경사지게 함으로써, 플라즈마 발생실(7) 내로 선회류를 발생시켜서 안정된 플라즈마 아크(11)를 형성하도록 고안되어있다. 도면부호 15는 절연 스페이서, 33은 용융한 용사재료의 분사 방향이다.
한편, 본 실시예 1에 있어서, 동일 형상의 플라즈마 제트 분출공(4)이 3개 형성되어 있지만, 이 수는 3개 이상 8개 정도가 실용적이지만, 특히 한정되지 않는다. 또, 상기 분출공(4)의 경사각은 교점(P)를 노즐 선단면(3)보다 전방의 어느 위치로 하는지에 따라 설계로 정해진다. 또한, 상기 분출공(4)은, 동심원 선상에 등간격으로 배치되어 있지만, 이 간격은, 필요에 따라서 적당히 변경할 수 있다.
실시예 2
본 실시예 2는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 양극 노즐(2) 내에 형성된 플라즈마 발생실(7) 내를, 중심부를 제외하고 전실(7a)과 후실(7b)의 2실로 구획하고, 각각의 실(7a, 7b) 내에 플라즈마 가스 공급 수단의 분출공(9a, 9b)을 형성함과 함께, 음극 전극(8)을 전실(7a) 측에 설치한 예이다.
본 실시예 2에 있어서, 플라즈마 발생실(7)을 전실(7a)과 후실(7b)로 나누어 형성함으로써, 플라즈마 아크(11)의 출력을 높일 수 있음과 함께, 후실(7b)로 공급하는 플라즈마 가스에 염가의 압축 공기나 질소 가스 등을 사용할 수 있는 특징이 있다. 본 실시예 2에서는, 양극 노즐(2)은, 전실(7a)측의 노즐부(2a)와 후실(7)측의 노즐부(2b)로 구성되어 있다.
한편, 도 2에 있어서 도 1과 동일한 도면부호는 동일한 구성과 작용을 갖는 것에 대하여, 중복을 피하기 위해서 여기에서의 설명은 생략한다.
실시예 3
본 실시예 3은, 도 3에 나타내는 바와 같이, 실시예 1에서 설명한 토치(1)의 전방에서, 메인 플라즈마 제트(12a)의 교점(P)에 대하여 직각 방향에서 서브 플라즈마 제트(62)가 합류하도록 서브 플라즈마 토치(단순히, 서브 토치(sub torch)라고 하기도 한다)(51)를 배치한 복합 토치의 예로서, 이 서브 토치(51)의 노즐(64)은 음극(음극 전극)으로 설정되고, 서브 토치 전극(56)은 양극(양극 전극)으로 설정되어 있음과 함께 이 서브 토치(51)를 설치함으로써, 메인 플라즈마 토치(단순히, 메인 토치라고 하기도 한다)(1a) 측에서의 메인 플라즈마 아크(11a)와 서브 플라즈마 아크(61)에 의해 복합 플라즈마 아크(31)를 교점(P) 및 이 전방(근방)에 형성할 수 있다.
한편, 서브 토치(51)는, 교점(P)에 대하여 직각 방향 이외로, 서브 토치(51)를 조금 후방으로 기울게 해도 좋다. 또, 서브 토치(51)로부터 분출한 서브 플라즈마 아크(61)는, 교점(P)에서 메인 플라즈마 아크(11a)로 합류하도록 설정하는 것이 최선이지만, 전후 방향으로 다소 어긋나도 상관없다.
상기한 서브 토치(51)의 경우, 용사재료 공급 수단은 없고, 또한 서브 플라즈마 제트 분출공(54)은 중심(축심)에 1개뿐이다.
이 복합 토치에 있어서는, 메인 토치(1a)의 양극 노즐(2)의 전방에 형성된 메인 플라즈마 아크(11a)에, 서브 토치(51)에서 형성된 서브 플라즈마 아크(61)가 연속함으로써 복합 플라즈마 아크(31)가 형성되고, 이 복합 플라즈마 아크(31)의 축심에 직접, 용사재료를 공급할 수 있기 때문에, 상기 재료가 긴 시간, 상기 플라즈마 아크(31)의 중심에 머무르게 되어, 용융 비율이 높아진다.
도 3에 있어서, 도면부호 13b, 13c는 스위치, 32는 복합 플라즈마 제트, 50은 부전원, 53은 스위치, 57은 플라즈마 발생실, 59는 플라즈마 가스 공급 수단, 65는 절연 스페이스이다.
본 실시예 3을 나타내는 도 3에 있어서, 도 1과 동일한 도면부호는 동일한 구조와 작용을 갖는 것에 대하여, 중복을 피하기 위해서 여기에서의 설명은 생략한다.
실시예 4
본 실시예 4는, 실시예 2에서 설명한 이단식(two-stage-type) 싱글 토치에 실시예 3에서 설명한 서브 토치(51)를 조합한 복합 토치의 예로서, 실시예 2, 3에서 설명한 작용 효과의 상승을 겨냥하고 있다.
도 4에 있어서, 도 1 내지 도 3의 도면부호와 동일한 도면부호는, 동일한 구조와 동일한 작용을 갖는 것에 대하여, 중복을 피하기 위해서 여기에서의 설명은 생략한다.
운전 예
이상에서 설명한 실시예 1 내지 4의 운전 예를 다음에 나타낸다.
(1) 실시예 1의 운전 예
도 1, 일단식(one-stage-type), 싱글 토치의 경우
용사 피막： 세라믹 용사 피막
전류, 전압, 출력：800A×90V=72kw
가스종, 가스량： 아르곤(25L/min), 수소(60L/min)
(2) 실시예 2의 운전 예
도 2,　이단식(two-stage-type), 싱글 토치의 경우
용사 피막： 세라믹 용사 피막
전류, 전압, 출력：480A×150V=72kw
가스종, 가스량： 아르곤(25L/min), 수소(60L/min)
(3) 실시예 3의 운전 예
도 3, 일단식, 서브 토치 있음의 복합 토치의 경우
용사 피막： 세라믹 용사 피막
전류, 전압, 출력：360A×200V=72kw
가스종, 가스량： 아르곤(80L/min)
(4) 실시예 4의 운전 예
도 4, 이단식, 서브 토치 있음의 복합 토치의 경우
용사 피막： 세라믹 용사 피막
전류, 전압, 출력：240A×300V=72kw
가스종, 가스량： 아르곤(25L/min), 압축 공기(75L/min)
실시예 5
본 실시예 5는, 도 5 내지 도 8에 나타내는 바와 같이, 상기 실시예 4에 있어서의 1개의 서브 토치(51)를, 3개로 늘려 배치한 복합 토치의 예로서, 플라즈마 아크 및 플라즈마 제트의 직진성, 안정화를 겨냥한다. 도 5 내지 도 8에 있어서, 도 4의 도면부호와 동일한 도면부호는, 동일한 구조와 동일한 작용을 갖는 것에 대하여, 중복을 피하기 위해서 여기에서의 상세한 설명은 생략한다. 한편, 도 5에 있어서, 10A, 10B, 10C는, 각각 트랜지스터 전원, S1, S2, S3는, 각각 스위치를 나타낸다.
본 실시예 5에서는, 양극 노즐(2b)에는, 둘레방향으로 등간격을 두고 3개의 플라즈마 제트 분출공(4)이 형성되어 있지만, 이 분출공(4)의 수 및 배치 간격은, 필요에 따라서 적당히 선택할 수 있다.
상기 각 분출공(4)은, 도 8에 나타내는 바와 같이, 양극 노즐(2)의 축심(2C)에 대하여 각도(θ), 경사져 있지만, 이 경사 각도(θ)는, 필요에 따라서 적당히 선택된다. 예를 들면, 이 경사 각도(θ)로서 4°또는, 6°가 채용된다. 상기 분출공(4)은, 역 원뿔대(圓錐臺) 형상의 입구(4a)와, 상기 입구(4a)에 연속하는 직관(直管) 형상의 출구(4b)에 의해 구성되어 있으므로, 메인 플라즈마 아크(11a)및 메인 플라즈마 제트(12a)는, 용이하게 상기 분출공(4)으로 들어갈 수 있다. 용사재료 분출공(5)에는, 용사재료 공급공(6)이 1개, 배치되어 있지만, 이 공급공(6)의 수는, 필요에 따라서 복수 형성할 수 있다. 예를 들면, 상기 공급공(6)을 점대칭으로 한 쌍을 이루고, 각 공급공(6)으로부터 서로 다른 용사재료를 공급하여 혼합하도록 해도 좋다.
메인 토치(1a)의 분사공(9a)은, 도 7에 나타내는 바와 같이, 접선 방향으로 복수, 천공되어 있다. 그 때문에, 상기 분사공(9a)에 공급된 플라즈마 가스(G)는, 플라즈마 발생실(7a) 내벽으로 안내되면서 화살표(A9) 방향으로 흘러 선회류로 됨과 함께, 다른 분사공(9b)으로부터 플라즈마 발생실(7b)로 공급된 플라즈마 가스도 동일한 요령으로 선회류가 된다. 상기 선회류는, 분기되어 각 플라즈마 제트 분출공(4)으로 들어가, 상기 분사공(4) 내를 선회하면서 전진한 후, 교점(P)을 향하여 분사된다.
서브 토치(51)는, 메인 토치(1a)의 플라즈마 제트 분출공(4)과 같은 수, 즉, 3개 형성되어 있다. 각 서브 토치(51)는, 둘레방향으로 등간격을 두고 배치되어 있고, 또, 메인 토치(1a)의 축심선과 상기 각 서브 토치(51)의 축심선이 교차하도록 배치되어 있다. 각 서브 토치(51)의 서브 플라즈마 아크(61)는, 스위치(53a, 53b, 53c)를 닫음(온)으로써 발생하지만, 이들의 각 서브 플라즈마 아크(61)는, 각각 바로 근처의 메인 토치(1a)의 플라즈마 아크(11a)와 연속하여 헤어핀 형상의 아크, 소위 헤어핀 아크를 형성하므로, 메인 토치(1a)의 음극 전극(8)의 선단으로부터 서브 토치(51)의 서브 토치 전극(56)의 양극점에 이르는 도전로가 형성된다. 한편, 상기 각 스위치(53a, 53b, 53c)는, 상기 헤어핀 아크가 형성된 후에, 열린다(오프).
용사재료 공급공(6)으로부터 공급된 용사재료는, 용사재료 분출공(5)으로부터 상기 교점(P)을 향하여 분사되고, 고온으로 가열되어 용융하면서 메인 플라즈마 제트(12a)에 싸이는 것처럼 하여 진행함과 함께, 용융된 용사재료의 입자, 즉, 용융 입자는, 기재(피도장물)(80)에 충돌하여 용사 피막(70)을 형성한다. 이때, 상기 3개의 헤어핀 아크가, 교점(P)에서 교차하여 일체가 되므로, 복합 플라즈마 아크(31) 및 복합 플라즈마 제트(32)는, 서브 토치가 1개의 경우(상기 실시예 4)에 비해, 보다 안정시킬 수 있다.
실시예 6
본 실시예 6은, 도 9, 도 10에 나타내는 바와 같이, 상기 실시예 2(도 2)에 있어서의 각 플라즈마 제트 분출공(4)을 평행, 또는, 완만한 경사 각도로 경사지게 한(거의 평행), 싱글 토치의 예로서, 각 분출공(4A)으로부터 분출된 플라즈마 제트(12a)가, 기재(80)에 도달할 때까지의 사이에, 토치(1)의 양극 노즐(2a, 2b)의 축심선(2C) 상의 한 지점에서 교차하지 않도록 하는 것을 겨냥하고 있다. 한편, 상기 양극 노즐(2a, 2b)의 축심(축심선)(2C)은, 메인 토치(1a)의 축심(축심선) 상에 위치하고 있다. 도 9, 도 10에 있어서, 도 2의 도면부호와 동일한 도면부호는, 동일한 구조와 동일한 작용을 갖는 것에 대하여, 중복을 피하기 위해서 여기에서의 상세한 설명은 생략한다.
플라즈마 제트 분출공(4A)은, 도 10에 나타내는 바와 같이, 용사재료 분출공(5)을 둘러싸는 원주 상에 간격을 두고 6개 배치되어 있다. 상기 분출공(4A)의 간격 및 배치 개수는, 필요에 따라서 적당히 선택할 수 있고, 예를 들면, 등간격으로, 4개 형성해도 좋다.
상기 각 분출공(4A)은, 상기 양극 노즐(2a, 2b)의 축심(2C)과 평행하게 배치되어 있지만, 반드시 평행하게 할 필요는 없고, 거의 평행하게 배치해도 좋다. 즉, 각 분출공(4A)으로부터 분출되는 플라즈마 제트(12a)가, 기재(80)에 도달할 때까지의 사이에, 상기 양극 노즐(2a, 2b)의 축심(2C) 상의 한 지점에서 교차하지 않도록, 완만한 경사 각도를 가져도 좋다. 이 완만한 경사 각도는, 상기 양극 노즐(2a, 2b)의 축심(2C)에 대하여 거의 평행하게 되도록, 예를 들면, ＋2° 내지 -2°가 선택된다.
본 실시예에서는, 용사재료 분출공(5)으로부터 분출한 용사재료는, 플라즈마 제트(12a)에 의하여 용융되고, 용융 입자로 되어 기재(80)에 충돌하여, 용사 피막(70)을 형성한다. 이때, 용사재료 분출공(5)은, 플라즈마 제트 분출공(4)이 배치되어 있는 원의 중심(축심)에 형성되고, 플라즈마 제트 분출공(4A)은, 상기 동일 원주상에 간격을 두고 배치되어 있으므로, 각 분출공(4A)으로부터 분출하는 플라즈마 제트(12a)는, 전체적으로 종단면 원통 형상이 되면서 기재(80)를 향하여 진행한다.
또, 상기 용사재료 분출공(5)으로부터 분사되는 용사재료는, 상기 원통 형상의 플라즈마 제트 내를 기재(80)를 향하여 직진한다. 그 때문에, 상기 용사재료가, 분사 직후에, 직접 플라즈마 제트에 접촉되지 않도록 하고, 분기한 플라즈마 제트(12a)에 의하여 감싸진 공간에서, 대기와의 접촉을 억제할 수 있다. 이것에 의해, 저융점이나 미립자이기 때문에 작은 용융 열 밖에 필요로 하지 않는 용사재료, 및 높은 용융 열이 있으면 산화나 변태에 의해 기능 열화 하거나 승화하여 용사 피막을 형성하지 않는 용사재료, 그렇지만 원하는 용사 피막을 형성하는 것이 가능해진다.
실시예 7
본 실시예 7은, 도 11, 도 12에 나타내는 바와 같이, 상기 실시예 5(도 5 내지 도 8)에 있어서의 각 플라즈마 제트 분출공을, 상기 실시예 6(도 9, 도 10)과 같이, 평행, 또는, 완만한 경사 각도로 경사지게 한(거의 평행), 복합 토치의 예로서, 각 분출공(4A)으로부터 분출된 플라즈마 아크(11a) 및 플라즈마 제트(12a)가, 기재(80)에 도달할 때까지의 사이에, 토치(1a)의 양극 노즐(2a, 2b)의 축심(2C) 상의 한 지점에서 교차하지 않도록 하는 것을 겨냥하고 있다. 도 11, 도 12에 있어서, 도 5 내지 도 10의 도면부호와 동일한 도면부호는, 동일한 구조와 동일한 작용을 갖는 것에 대하여, 중복을 피하기 위해서 여기에서의 상세한 설명은 생략한다.
도 12에 나타내는 바와 같이, 메인 토치(1a)의 플라즈마 제트 분출공(4A)은, 원주 방향으로 등간격을 두고 3개 배치되어 있지만, 이들의 분출공(4A)은, 상기 실시예 6과 같은 요령으로 형성되어 있다. 또, 서브 토치(51)는, 메인 토치(1a)의 상기 분출공(4A)의 수에 대응하여 3개 배치되어 있다.
본 실시예에서는, 각 서브 토치(51)의 서브 플라즈마 아크(61)는, 플라즈마 제트 분출공(4A)으로부터 분출되는 바로 근처의 메인 플라즈마 아크(11a)와 연속하여 각각 헤어핀 아크를 형성하므로, 메인 토치(1a)의 음극 전극(8)의 선단으로부터 각 서브 토치(51)의 서브 토치 전극(56)의 양극점에 이르는 도전로가 형성된다.
이와 같이 상기 각 헤어핀 아크는, 별개 독립하여 형성되고, 각 플라즈마 제트 분출공(4A)으로부터 분출하는 각 메인 플라즈마 아크(11a)가 서로 교차하지 않도록 형성되어 있다. 또, 상기 분출공(4A)으로부터 분출되는 각 플라즈마 제트(12a)도 기재(80)에 충돌할 때까지는, 서로 교차하지 않도록 형성된다.
본 실시예에서는, 용사재료 공급공(6)으로부터 공급된 용사재료는, 직접, 메인 플라즈마 제트(12a) 및 메인 플라즈마 아크(11a)로 들어가지 않도록 하고, 또, 상기 메인 플라즈마 제트(12a) 및 상기 메인 플라즈마 아크(11a)에 의하여 감싸진 공간에서, 대기와의 접촉을 억제할 수 있게 되어 있다. 이와 같이 함으로써, 상기 실시예 6과 같은 효과를 얻을 수 있다.
실시예 8
본 실시예 8은, 도 13에 나타내는 바와 같이, 상기 실시예 4(도 4)에 있어서의 서브 토치(51)를, 후방으로 경사지게 하여 배치한 복합 토치의 예로서, 플라즈마 아크 및 플라즈마 제트의 직진성, 안정화를 겨냥하고 있다. 도 13에 있어서, 도 4의 도면부호와 동일한 도면부호는, 동일한 구조와 동일한 작용을 갖는 것에 대하여, 중복을 피하기 위해서 여기에서의 상세한 설명은 생략한다.
이 실시예에서는, 서브 토치(51)는, 교점(P)에 대하여 뒷쪽, 즉, 서브 토치 전극(56)이 메인 토치(1a)로부터 멀어지는 방향으로 기울어져 있고, 그 경사 각도, 즉, 각 메인 토치(1a)의 축심선과 서브 토치(51)의 축심선과의 교차 각도는, 45°로 형성되어 있다. 이 경사 각도는, 필요에 따라서 적당히 선택할 수 있고, 예를 들면, 35° 내지 55°의 범위 내에서 선택 채용된다.
한편, 이 실시예는, 상기 제 3실시예(도 3) 등에도 적용할 수 있는 것은, 물론이다.
실시예 9
본 실시예 9는, 도 14에 나타내는 바와 같이, 상기 실시예 2에 있어서의 싱글 토치의 양극 노즐(2)의 선단면(3)에 초고속 노즐(90)을 연결한 싱글 토치의 예로서, 플라즈마 제트를 초고속으로 하는 것을 겨냥하고 있다. 도 14에 있어서, 도 2의 도면부호와 동일한 도면부호는, 동일한 구조와 동일한 작용을 갖는 것에 대하여, 중복을 피하기 위해서 여기에서의 상세한 설명은 생략한다.
본 실시예의 초고속 노즐(90)은, 조임부(91)로부터 입구 측을 향하여 방사(放射) 형상으로 넓어지는 상류측 깔때기부(93)와, 상기 조임부(91)로부터 출구 측을 향하여 방사 형상으로 넓어지는 하류측 깔때기부(95)로 구성되어 있다. 상기 상류측 깔때기부(93)와 하류측 깔때기부(95)의 축방향의 길이는 거의 동일하지만, 그 개구단의 크기는, 후자(95)의 쪽이 크게 형성되어 있다. 도 14에 있어서, W는 냉각부로 공급되는 냉각 매체, 12S는 초음속 플라즈마 제트를 각각 나타낸다.
본 실시예에서는, 플라즈마 제트 분출공(4)으로부터 분출된 플라즈마 제트(12)는, 상류측 깔때기부(93)로 들어가, 조임부(91)에서 조여진 후, 하류측 깔때기부(95)로 방출되어 급속히 퍼지므로, 플라즈마 제트(12S)를 초음속으로 할 수 있다. 그 때문에, 용융한 용사재료의 용융 입자의 비행 속도를 초음속, 예를 들면, 음속의 3 내지 5배로 할 수 있으므로, 보다 치밀하고 밀착력이 높은 고성능인, 용사 피막을 형성할 수 있다.
한편, 이 초고속 노즐은, 본 실시예뿐만 아니라, 상기 실시예 1 등에도 이용할 수 있는 것은, 물론이다.
그 외의 실시예
본 발명의 실시예는, 상기로 한정되는 것이 아니라, 예를 들면, 다음과 같이 해도 좋다.
(1) 상기 실시예에 있어서의 싱글 토치, 복합 토치의 음극 전극 및 양극 전극의 극성을 역(逆), 즉, 싱글 토치에 있어서의 음극 전극(8)·양극 노즐(2), 복합 토치에 있어서의 메인 토치의 음극 전극(8)·양극 노즐(2), 서브 토치의 서브 토치 전극(56)·노즐(64)의 극성을, 반대로 해도 좋다.
(2) 상기 실시예의 양극 노즐(2)의 선단면(3)에, 단수(1개)의 동심원 선상에 간격을 두고 3개소로 플라즈마 제트 분출공(4)을 형성하는 대신에, 간격을 두고 형성된 복수(2개 이상)의 동심원 선상에, 둘레방향으로 간격을 두고 복수개의 플라즈마 제트 분출공(4)을 형성한다. 이와 같이 하면, 플라즈마 화염이 링 형상에 가깝게 되므로, 대기의 진입을 방지할 수 있다. 한편, 상기 각 분출공(4)은, 지그재그 모양이 되도록 배치되어 있지만, 그 배열 방법은, 필요에 따라서 적당히 선택할 수 있다.
산업상의 이용 가능성
이 발명은, 표면 개질 처리 기술 등으로서 널리 산업에 이용되고, 예를 들면, 액정·반도체 제조 장치 부품, 정전 척(chuck), 인쇄용 필림 롤, 항공기용 터빈 블레이드(turbine blade), 소성 지그(firing jig), 태양전지용 발전 소자, 연료 전지용 전해질 등으로 이용된다.
1. 토치
1a. 메인 토치
2. 양극 노즐
4. 플라즈마 제트 분출공
5. 용사재료 분출공
7. 플라즈마 발생실
8. 음극 전극
9. 플라즈마 가스 공급수단
11. 플라즈마 아크
12. 플라즈마 제트
31. 복합 플라즈마 아크
32. 복합 플라즈마 제트
51. 서브 토치
56. 서브 토치 전극
64. 노즐

Claims (15)

  1. 음극 전극(cathode)과 양극 노즐(anode nozzle), 및 플라즈마 가스 공급 수단과 용사재료 공급 수단을 갖는 플라즈마 토치(plasma torch)에 있어서,
    상기 음극 전극과 상기 양극 노즐은 한 쌍을 이루고,
    상기 양극 노즐에는, 그 축심(軸心)을 중심점으로 하는 동심원 선상에 간격을 두고 3개 이상의 플라즈마 제트 분출공(plasma jet jetting holes)을 형성하여, 플라즈마 제트(plasma jet) 및 플라즈마 아크(plasma arc)를 분기(分岐)시키도록 하고,
    상기 양극 노즐의 선단면(先端面)에 있어서, 상기 플라즈마 제트 분출공으로 둘러싸인 중심부에는, 용사재료 분출공을 형성한 것을 특징으로 액시얼 피드형(axial feed) 플라즈마 용사장치(溶射裝置).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 제트 분출공은, 상기 노즐의 전방(前方)에서, 그 노즐의 축심 상의 교점에서 상기 각 플라즈마 제트 분출공으로부터 분출된 플라즈마 제트 또는 플라즈마 아크가 교차되도록 하기 위해서, 경사져 있는 것을 특징으로 하는 액시얼 피드형 플라즈마 용사장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 플라즈마 제트 분출공은, 상기 플라즈마 제트 분출공으로부터 분출된 플라즈마 제트가, 기재(基材)에 도달할 때까지의 사이에, 상기 양극 노즐의 축심 상의 한 지점에서 교차하지 않도록 하기 위해서, 상기 축심과 평행, 또는, 거의 평행하게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 액시얼 피드형 플라즈마 용사장치.
  4. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    플라즈마 토치 내의 플라즈마 발생실을 전실(前室)과 후실(後室)로 구획하고, 각각 플라즈마 가스 공급 수단을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 액시얼 피드형 플라즈마 용사장치.
  5. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    플라즈마 가스 공급 수단은, 플라즈마 발생실 내에서, 접선 방향으로 기울어져 설치됨으로써, 상기 플라즈마 가스 공급 수단으로부터 공급된 플라즈마 가스에 선회류가 발생하도록 구성하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 액시얼 피드형 플라즈마 용사장치.
  6. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 양극 노즐의 전방에는, 서브 플라즈마 토치가, 그 축심선이 메인 토치의 축심선과 교차하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 액시얼 피드형 플라즈마 용사장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 서브 플라즈마 토치는, 상기 메인 토치의 플라즈마 제트 또는 플라즈마 아크의 교점, 또는, 그 근방에서, 서브 플라즈마 제트 또는 서브 플라즈마 아크가 교차하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 액시얼 피드형 플라즈마 용사장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 서브 플라즈마 토치가, 복수 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 액시얼 피드형 플라즈마 용사장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 서브 플라즈마 토치의 배치 개수는, 메인 플라즈마 토치의 플라즈마 제트 분출공의 수와 동일한 것을 특징으로 하는 액시얼 피드형 플라즈마 용사장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 플라즈마 제트 분출공이 3개 배치되고, 서브 플라즈마 토치가 3개 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 액시얼 피드형 플라즈마 용사장치.
  11. 제 8 항, 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 각 플라즈마 제트 분출공으로부터 분출되는 각 플라즈마 아크는, 바로 근처의 상기 서브 플라즈마 토치의 서브 플라즈마 아크와 연속하여 헤어핀 아크(hairpin arc)를 형성하고, 상기 각 헤어핀 아크는 서로 교차하지 않고 독립하고 있는 것을 특징으로 하는 액시얼 피드형 플라즈마 용사장치.
  12. 제 8 항, 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 서브 플라즈마 토치의 축심선이, 메인 플라즈마 토치의 축심선에 대하여, 수직 형상, 또는, 후방(後方)으로 경사져 있는 것을 특징으로 하는 액시얼 피드형 플라즈마 용사장치.
  13. 제 1 항, 제 2 항, 제 3 항, 제 6 항, 제 7 항, 제 8 항, 제 9 항 또는 제 10항에 있어서,
    상기 양극 노즐의 선단에, 초고속 노즐을 설치한 것을 특징으로 하는 액시얼 피드형 플라즈마 용사장치.
  14. 제 1 항, 제 2 항, 제 3 항, 제 6 항, 제 7 항, 제 8 항, 제 9 항 또는 제 10항에 있어서,
    상기 용사재료 공급 수단이, 복수의 용사재료 공급공(供給孔)을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 액시얼 피드형 플라즈마 용사장치.
  15. 제 1 항, 제 2 항, 제 3 항, 제 6 항, 제 7 항, 제 8 항, 제 9 항 또는 제 10항에 있어서,
    상기 음극 전극 및 양극 전극의 극성을, 반대의 극성으로 한 것을 특징으로 하는 액시얼 피드형 플라즈마 용사장치.
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