JP2008075130A

JP2008075130A - アーク溶射方法とそれに用いる溶射装置

Info

Publication number: JP2008075130A
Application number: JP2006255594A
Authority: JP
Inventors: Tadahiro Nakamura; 忠浩中村; Shuji Hattori; 修治服部
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-09-21
Filing date: 2006-09-21
Publication date: 2008-04-03

Abstract

【課題】周囲に溶射材料の飛散が少なく、被溶射物の表面へ高い効率で溶射が可能な溶射方法とそれに用いる溶射装置を提供する。
【解決手段】アークにより溶融された溶射材料１４、１５に、噴射ガスを吹き付けることで飛散させて、被溶射物９に溶射するアーク溶射方法であって、前記噴射ガスは、前記溶射材料１４、１５へ吹き付けて飛散させる主噴射ガス２１と、前記アークの周囲を包囲してその内部を減圧するエアカーテン２４とからなり、このエアカーテン２４内へ前記主噴射ガス２１を吹き付けて被溶射物９へ溶射するアーク溶射方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、溶射材料をアークにより溶融した後、噴射ガスで被溶射物へ吹き付けるアーク溶射方法とそれに用いるアーク溶射装置に関するものである。

アーク溶射は、線状の二本の溶射材料間に、直流電圧などを印加することでアークを発生させ、この発生したアークの熱で溶融した溶射材料に、高圧の圧縮空気を吹き付けることで微粒化し、被溶射物へ溶着させるものである。

従来の溶射装置の主要部を図５に示す。

アーク溶射装置は、底部１に開口部２を有する有底筒状の溶射筒３の内部に、二本の電極ガイド４、５と、エアノズル６とを備えている。二本の電極ガイド４、５は、中心線Ａ−ＡＡを挟んで対向して設けられており、線状の溶射材料７、８を供給装置により中心線Ａ−ＡＡ上の会合部Ｂへ供給する。まず初めに、会合部Ｂへ供給された線状の溶射材料７、８に、直流電圧を印加することによりアークを発生させて溶融させる。このとき、エアノズル６から噴射されたガスは、この会合部Ｂよりやや前方、中心線Ａ−ＡＡ上に会合点Ｃを有するように設計されており、会合部Ｂで溶融した溶射材料７、８は、減圧下で会合点Ｃへ引き寄せられる。そして、会合点Ｃに引き寄せられた溶射材料７、８は、エアノズル６から噴射されたガスにより霧化されることで微粒化し、被溶射物表面へ吹き付けられることで溶着する。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２００２−２０６１５９号公報

上記従来の方法は、溶融した溶射材料を霧化して微粒化するために、エアノズル６から噴射するガスに会合点Ｃを設けていた。そのため、ガスの会合点Ｃでは、乱流が生じやすく、微粒化した溶射材料の飛散方向の制御が困難となり、その結果、周囲に飛散するなど、被溶射物の表面に溶射材料が到達する比率、すなわち溶射効率が低下するという課題があった。

そこで、本発明は、溶射効率を高めることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、アークにより溶融された溶射材料に、噴射ガスを吹き付けることで飛散させて、被溶射物に溶射するアーク溶射方法であって、前記噴射ガスは、前記溶射材料へ吹き付けて飛散させる主噴射ガスと、前記アークの周囲を包囲してその内部を減圧するエアカーテンとからなり、このエアカーテン内へ前記主噴射ガスを吹き付けるので、周囲に飛散する溶射材料をエアカーテンで被溶射物表面へ吹き付けることができ、その結果、被溶射物表面への溶射効率を高めることができる。

本発明に係る溶射方法とそれに用いる溶射装置は、溶融した溶射材料を被溶射物表面へ吹き付けるために、溶融した溶射材料を霧化、微粒化するための主噴射ガスと、その周囲を覆い内部を減圧するエアカーテンとの二つの噴射ガスを用いる。そのため、主噴射ガスにより周囲に飛散する溶射材料は、エアカーテンにより被溶射物へ高い効率で溶射することができる作用効果を奏するものである。さらに、アークを発生させる溶射材料の会合部は、主噴射ガスを供給する第一のエアノズルの先端から、その径の少なくとも五倍以上離して設けると、主噴射ガスの脈流や乱流が少なく、主噴射ガスによる溶射材料の飛散が低減し、その結果、被溶射物への溶射効率をさらに高めることができる作用効果も同時に奏するものである。

以下、本発明の詳細を、図を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施の形態における溶射装置の断面図を示している。

本実施例における溶射装置は、被溶射物９を載置して保持する基台１０と、基台１０の上方に設けられた溶射ヘッド１１と、溶射ヘッド１１への給電手段１２とを備えている。溶射ヘッド１１は、底部に貫通孔１３Ａを有する有底筒状の溶射筒１３の内部に、線状の溶射材料１４、１５を案内する二本の電極ガイド１６、１７が、中心線Ｅ−ＥＥを挟んで対向するように配置されている。これら二本の電極ガイド１６、１７の先端部は、溶射ヘッド１１の底部から突出せず、また、この底部に近づくにつれて互いの間隔が狭くなるように、中心線Ｅ−ＥＥに対し斜向して設けられている。これらの電極ガイド１６、１７に、線状の溶射材料１４、１５が挿通されており、ローラやプーリーなどからなる供給部１８で順次供給することで、会合部Ｄで会合交差するように設計されている。さらに、二本の電極ガイド１６、１７の導入口近傍には、ブラシなどからなる電気接点１９を設けてあり、これら電気接点１９に連結された給電手段１２により、会合部Ｄでアークを発生させて線状の溶射材料１４、１５を溶融させる。尚、線状の溶射材料１４、１５は、亜鉛、アルミニウム、鉄、ニッケル、マグネシウム、またはそれらの合金などであり、被溶射物９の材料、またはその使用目的により適宜選択する。

二本の電極ガイド１６、１７の先端部の上方には、第一のエアノズル２０を設けている。すなわち、中心線Ｅ−ＥＥに沿って下方より、会合部Ｄ、二本の電極ガイド１６、１７の先端部、第一のエアノズル２０のように配置されている。この第一のエアノズル２０は、会合部Ｄで溶融された線状の溶射材料１４、１５に主噴射ガス２１を吹き付けて、霧状に微粒化するためのものである。この主噴射ガス２１は、第一のエアノズル２０の先端を頂点として、略円錐状に広がり、被溶射物９の表面に溶射膜２２を形成する。

さらに、溶射筒１３の底部、貫通孔１３Ａの周囲を囲むように、噴射孔２３ａを有する第二のエアノズル２３を設けている。本実施例では、溶射筒１３の側面に設けた供給口１３ａより、圧縮されたガスを供給することで、主噴射ガス２１を包囲するエアカーテン２４を形成する。この噴射孔２３ａは、中心線Ｅ−ＥＥに対して外方へ広がるように加工されている。したがって、主噴射ガス２１と同様に、被溶射物９に向かうほど広がることで主噴射ガス２１を包囲し、エアカーテン２４の内部を減圧する。また、エアカーテン２４は、一点に会合しないので、その内部では主噴射ガス２１の流れを乱すことがない。以上のことから、主噴射ガス２１で霧化して微粒化した溶射材料１４、１５は、周囲に飛散することなく、高い効率で被溶射物９の表面へ到達させることができる。また、ピンチ効果などを伴う異常現象による周囲への飛散を、エアカーテン２４で防ぐことができるので、溶射装置の維持管理が容易となる。

尚、第二のエアノズル２３の噴射孔２３ａは、必ず会合部Ｄの上方に配置する。このようにすることで、アークにより線状の溶射材料１４、１５を溶融させるときに発生するヒュームを下方に押し流すことができるので、ヒュームによる電極ガイド１６、１７の汚れを防止することができる。

ここで、図２を用いて、本装置の主要部である第一、第二のエアノズル２０、２３、会合部Ｄの詳細を説明する。

図２は、本実施例における溶射ヘッド１１先端の拡大断面図である。Ｅ−ＥＥは、貫通孔１３Ａの中心を通る溶射筒１３の中心線であり、第一のエアノズル２０、第二のエアノズル２３、線状の溶射材料１４、１５の会合部Ｄ（アーク発生位置）とは、中心線Ｅ−ＥＥに沿って同軸上に配置されている。

尚、本実施例では、第二のエアノズル２３の噴射孔２３ａを、貫通孔１３Ａの全周を包囲するように、同心円状の複数設けたが、エアカーテン２４の広がりを考慮して間欠的に噴射孔２３ａを設けてもよい。

アーク発生位置である会合部Ｄと、第一のエアノズル２０の位置とは、溶射効率に大きく影響する。本実施例では、第一のエアノズル２０の内径をＦ、第一のエアノズル２０の先端から会合部Ｄまでの距離をＧとしたとき、この距離Ｇを内径Ｆの五倍以上とした。

図４は、内径Ｆが一定であるストレート型の第一のエアノズル２０を用い、その先端部からの距離と、主噴射ガス２１の噴射圧の総圧変動を、ピトー管等を用いて測定した結果である。横軸は、第一のエアノズル２０の先端からの距離Ｇを、内径Ｆで除して無次元化している。縦軸も同様に、主噴射ガス２１の中心線上Ｈ−ＨＨ線上の総圧Ｐを、第一のエアノズル２０先端の噴射圧Ｐｏで除して無次元化している。第一のエアノズル２０は、内径Ｆを１．５〜２．０ｍｍとし、噴射圧Ｐｏを０．４〜０．７ＭＰａで測定した結果である。

第一のエアノズル２０から噴射された圧縮ガスは、ノズルの先端から噴射されると同時に急激に膨張して、脈流や乱流を引き起こす。図４より、少なくとも噴射圧Ｐｏが０．４〜０．７ＭＰａの範囲においては、距離Ｇを内径Ｆの五倍以上とすることで、総圧の変動すなわち乱流の影響が小さくなっていることがわかる。このことより、本実施例では、第一のエアノズル２０と会合部Ｄとの距離Ｇを、第一のエアノズル２０の内径Ｆの少なくとも五倍以上とすることで、主噴射ガス２１の乱流の影響を小さくでき、その結果、溶射効率を高めることができる。

次に、再度図１を用いて、上記溶射装置による本発明の溶射方法について一実施の形態を説明する。

先ず初めに、溶射ヘッド１１の下方、基台１０上に被溶射物９を載置して保持する。尚、基台１０は、直交するｘ、ｙ、ｚの三方向独立して移動可能であり、広範囲に溶射膜２２を形成でき、さらに、溶射中に適宜揺動させることで、溶射膜２２の厚みばらつきを改善することができる。被溶射物９としては、金属、樹脂、セラミックなどであり、その形状は、本実施例のように基板状のものであってもよいし、個片化されたものを治具などにより整列させたものであってもよい。

次に、溶射筒１３の側面部に設けた供給口１３ａに圧縮ガスを供給し、第二のエアノズル２３の噴射孔２３ａより噴射させて、被溶射物９を覆うようにエアカーテン２４を形成する。こうすることで、被溶射物９の表面に付着したダストなどの異物を除去することができるので、形成した溶射膜９の品質を高めることができる。また、エアカーテン２４を形成することで、その内側を減圧することができるので、後に説明する主噴射ガス２１の乱れを低減することも可能となる。尚、このエアカーテン２４として用いるガスとしては、圧縮空気を用いてもよいが、アルゴン、窒素、ヘリウム、ネオンなどの不活性ガスを用いることにより、会合部Ｄ（アーク発生位置）で溶融される溶射材料１４、１５および溶射膜２２の酸化を低減することができ、その結果、溶射膜２２の品質を高めることができる。

最後に、第一のエアノズル２０から主噴射ガス２１を噴射し、会合部Ｄで溶融された線状の溶射材料１４、１５を霧化して微粒化させ、被溶射物表面へ吹き付ける。このとき、主噴射ガス２１は、上述したエアカーテン２４の内側へ吹き付けるので、減圧され、不活性ガス雰囲気中へ微粒化した溶射材料１４、１５を吹き付けることとなる。したがって、被溶射物９へ達する経路で、微粒化した溶射材料１４、１５の酸化を低減することができる。さらに、エアカーテン２４の内側を減圧し、さらに主噴射ガス２１をエアカーテン２４で覆うことにより、主噴射ガス２１の乱流、脈流を小さくすることができ、微粒化した溶射材料１４、１５を周囲へ飛散させることなく、高い効率で被溶射物９の表面へ到達させることができる。尚、エアカーテン２４の噴射圧、すなわち、第二のエアノズル２３の噴射孔２３ａから噴射される圧力は、必ず主噴射ガス２１の噴射圧よりも高くしておく。このようにすることで、エアカーテン２４の内部の減圧を高めることができるので、主噴射ガス２１の噴射圧力を低くした場合でも、被溶射物９の表面へ減衰の少ない主噴射ガス２１を吹き付けることが可能となる。尚、主噴射ガス２１も、エアカーテン２４と同様に不活性ガスとすることで、溶射材料１４、１５、形成した溶射膜２２の酸化をさらに低減させることができる。

本発明の溶射方法およびそれに用いる溶射装置は、乱流の少ない主噴射ガスを用い、さらにエアカーテンを同時に用いることにより、アークにより溶融された溶射材料を被溶射物表面へ吹き付ける方向を制御して、高い溶射効率を得るものである。したがって、コンデンサ、抵抗、コイルなどの小型のチップ部品における外部電極を、溶射材料の損失を少なくして、高い品質で形成する方法とそれに用いる装置に特に適しているものである。

本発明に係る溶射方法とそれに用いる溶射装置は、溶融した溶射材料を被溶射物表面へ吹き付けるため、溶融した溶射材料を霧化、微粒化するための主噴射ガスと、その周囲を覆い内部を減圧するエアカーテンとの二つの噴射ガスを用いる。そのため、主噴射ガスにより周囲に飛散する溶射材料は、エアカーテンにより被溶射物表面へ高い効率で溶射することができる作用効果を奏するものである。さらに、アークを発生させる溶射材料の会合部は、主噴射ガスを供給する第一のエアノズルの先端から、その径の少なくとも五倍以上離して設けるので、主噴射ガスの脈流や乱流が少なく、主噴射ガスによる溶射材料の飛散を低減し、その結果、被溶射物表面への溶射効率をさらに高めることができる作用効果も同時に奏するものであり、アーク溶射方法とそれに用いるアーク溶接装置に有用である。

本発明の一実施の形態を説明する溶射装置の断面図同装置の要部拡大断面図図２の正面図本実施例における主噴射ガスの中心線Ｈ−ＨＨ上の総圧の測定結果を説明する図従来の溶射装置を説明する要部拡大断面図

符号の説明

９被溶射物
１０基台
１２給電手段
１４、１５溶射材料
１８供給部
２０第一のエアノズル
２１主噴射ガス
２３第二のエアノズル
２４エアカーテン
Ｄ会合部

Claims

アークで溶融された溶射材料に、噴射ガスを吹き付けることで飛散させて、被溶射物に溶射するアーク溶射方法であって、前記噴射ガスは、前記溶射材料へ吹き付けて飛散させる主噴射ガスと、前記アークの周囲を包囲してその内部を減圧するエアカーテンとからなり、このエアカーテン内へ前記主噴射ガスを吹き付けて被溶射物へ溶射するアーク溶射方法。
エアカーテンの噴射圧は、主噴射ガスの噴射圧より大きい請求項１に記載のアーク溶射方法。
被溶射物を載置する基台と、前記基台の上方に設けられた溶射ヘッドとからなる溶射装置であって、前記溶射ヘッドは、溶射材料の会合部と、この会合部へ前記溶射材料を順次供給する供給部と、前記溶射材料に連結されて会合部でアークを発生させる電源と、前記アークで溶融された溶射材料へ主噴射ガスを吹き付ける第一のエアノズルと、前記アークを包囲するエアカーテンを形成する第二のエアノズルとを備え、前記会合部と、前記第一、第二のエアノズルとは同軸上に配置されるとともに、前記第二のエアノズルを、前記第一のエアノズルと前記アーク発生部との間に設けたアーク溶射装置。
第二のエアノズルの噴射圧は、第一のエアノズルの噴射圧より大きい請求項３に記載のアーク溶射装置。
アークを発生させる会合部は、第一のエアノズルの先端から、そのノズル内径の５倍以上とした請求項４に記載のアーク溶射装置。