JPH02192699A - プラズマトーチ用ノズルとプラズマトーチのプラズマ柱の内部に紛末流を導入する方法 - Google Patents

プラズマトーチ用ノズルとプラズマトーチのプラズマ柱の内部に紛末流を導入する方法

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JPH02192699A
JPH02192699A JP1231804A JP23180489A JPH02192699A JP H02192699 A JPH02192699 A JP H02192699A JP 1231804 A JP1231804 A JP 1231804A JP 23180489 A JP23180489 A JP 23180489A JP H02192699 A JPH02192699 A JP H02192699A
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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】 （産業上の利用分野） 本発明は、粉末供給プラズマトーチにおいて使用される
ノズルに汎く関わるものである。特に、例えばプラズマ
変換アークトーチのような、粉末供給プラズマトーチに
使用される高効率ノズルの改良に関する発明である。
さらに、本発明は、プラズマ変換アークトーチのような
プラズマトーチにおいて、トーチに粉末を供給する改良
された方法に関するものである。
（従来の技術） 熱可溶性の粉末化された金属を基体または加工物に吹き
付けて堆積させるプラズマ変換アーク法は、すでに公知
のものである。この過程においてトーチ内の電気的アー
クは、プラズマを形成する気体すなわち、アルゴン、ヘ
リウムなどから電子を奪い、気体はイオン化されて気体
状態よりも高エネルギーの状態に置き換えられる。その
結果、極めて高温のプラズマが形成される。熱可溶性の
粉末状物質、すなわち金属、金属合金、金属酸化物、セ
ラミック物質および炭化物質は、高温プラズマへと導か
れ軟化溶融されると共に高速に加速される。このように
溶融し高速になった微粒子は、基体または加工物に吹き
付は投射されて、その表面に高純度、高密度で強力に結
合した被覆膜を形成する。この方法により基体または加
工物は、粉末金属を適宜に選択することによって、本来
固有のものでない特性がこの被覆膜によって与えられ、
摩耗または腐食に対する防止用として利用されている。
−例として、コバルト合金粉末は基体上に硬い表面、す
なわち耐摩耗性の強い表面の被覆面を形成する。現在ま
で、プラズマに金属粉末を投射する多くの方法と装置が
紹介されてきたが、いずれも幾つかの欠点を有するもの
であった。
（発明が解決しようとする問題点） Ｕ、　Ｓ、Ｐａｔ、　Ｎｏ、　４６７２１７１（’８７
）はクシマーノはかの考案によるもので、粉末供給型の
プラズマ変換アークトーチで変換可能なノズルを有し、
そのノズルは１・−チの出Ｌ１端にねじ込むようになっ
たものである。粉末はノズルを通ってプラズマの柱状部
分へ供給される。その通路はノズルの長手軸方向と、所
定の角度を有して傾斜しているか、若しくは中央孔また
はアーク出入口に対して直角方向に配置された複数のも
のであり、上記中央孔から所定の距離を置いたところ、
で平面となって連結している。
本発明者らの実験の結果は次のようであった。
この系によってトーチに供給される粉末の流れは、ノズ
ル内の通路断面内に拡散したり拡がったりして密着性が
失われる。これはプラズマ柱に到達するまでに長い距ｔ
１１１を通過するからである。このような拡がりを示す
結果として、正常状態に較べて概ね１０％の粉末損失が
生ずる。これは、粉末が基体または加工物以外のところ
に飛び散ることを意味している。基体または加工物が比
較的小さい場合には、目標面積が小さいので粉末の損失
割合はさらに犬で、高価な粉末を使用するほど経済性は
低下することになる。
Ｕ、Ｓ、Ｐａｔ、ＮＯ，１０４５０５（’７８）はレイ
メントはかの発明によるもので、トーチ内に発生するプ
ラズマに粉末供給する点では類似の配列を示している。
粉末供給の通路はトーチの中央孔から所定の距離を置い
たところに平面出口穴で連結している。
Ｕ、Ｓ、Ｐａｔ、ＮＯ，Ｒｅ１ＯＩ８（’８２）はバリ
ントンほかによるもので、これもプラズマ噴射銃を表し
ている。
粉末は、プラズマの下流に、ノズル出口穴から導かれる
。この考案で粉末の導入は、ノズルの技手方向に対して
直角である。この際、幾分かの粉末は、プラズマによっ
て吹き飛ばされ浪費されることが予想される。
Ｕ、Ｓ、Ｐａｔ、Ｎｏ、３８３９６１８（７４）はミュ
ールベルガーによって、粉末供給プラズマ変換アーク法
として発表された装置および方法で、ここでは、ノズル
は電極の下流に向かって圧縮されたスロート部分を備え
、外側に向かって張出し拡がった穴に通じている。粉末
はスロート部分を通じて上流に向かって供給され、その
通路はノズルの技手方向に対して鋭角をなして傾斜し、
電極に向かっては、プラズマへの粉末の供給の滞留時間
を増すようになるので、粉末が基体に投射されるまでに
粉末の温度を上昇させることができる。この考案では、
ある作用条件の下ではスロート部分が詰まり、粉末供給
路を閉ざす結果を招くことも予想される配列である。
Ｕ、Ｓ、Ｐａｔ、Ｎｏ、３５９１７５９（’７１）はス
タンドによって熱可溶性の粉末金属を投射する、プラズ
マ吹き付は方式に関するものとして発表された。粉末は
、トーチノズルの入口と出口との間のプラズマの流れの
中間地点に導かれ、ノズルの技手方向に対して所定角度
の傾斜をもち、ノズルの内径は下流に向かって急激に拡
がり、このために粉末はプラズマ本体のなかに注入する
というよりも、むしろプラズマの表面にトーチを通って
基体に運ばれるという方法である。この配列は、成る特
定の作業条件下では、ノズル孔の壁面に粉末が付着する
結果を招くことが予想される。トーチの下流の出［コ端
は、プラズマおよび粉末を表面に集中させるように作用
する。この装置の場合には、粉末の導入点におけるプラ
ズマの上流で薄い層状の流れを形成すること、また粉末
導入点ではプラズマの急激な流れの乱れを来す変化を起
こすことが確定的である。一般にノズルの急激な拡がり
は、ノズルへの粉末導入の圧力低下を呼び、ノズル内で
粉末が回転するような力が作用する。
Ｕ、　Ｓ、Ｐａｔ、Ｎｏ、　３３０４４０２　（’　６
７）のソープによる発明は、粉末供給噴射銃におけるも
ので、粉末供給ノズルはプラズマの流れ方向に直角であ
番ハノズルの出口端は、プラズマの上流に導かれる。し
たがって、粉末はノズルを通り、出るまでに成る十分な
距離を走るようになっている。このような粉末供給の形
式では、実験の結果、ノズル壁面に成る量の粉末が付着
する。
Ｕ、Ｓ、Ｐａｔ、Ｎｏ、３３８７１１０（’６８）ヴエ
ンドラーおよびＵ、Ｓ、Ｐａｔ、ＮＯ，３９１４５７３
（’７５）ミュールベルガーは、粉末をプラズマの流れ
方向に対して鋭角に導入させ、ノズルの出口端はプラズ
マの上流に配置される概略のところ類似の配置である。
粉末供給型プラズマトーチに関する一般的な記述は、 Ｕ、Ｓ、Ｐａｔ、Ｎｏ、３８０３３８０（’７４）ラガ
ーＩＪ、Ｓ、Ｐａｔ、、Ｎｏ、４１２５７５４（’　７
８）ワッサーマンはかＵ、Ｓ、Ｐａｔ、Ｎ００４７３９
１４６（’　８８）リントランドほかによって行なわれ
ている。
本発明は、上記従来技術の問題点解決のためになされた
もので、プラズマトーチのプラズマ柱に粉末を供給する
新規の装置並びに方法を提供することを目的としている
。
また、他の目的は、粉末供給プラズマト−チにおける改
良された高効率のノズルを提供することである。
さらに池の目的は、動作中に基体から外れて飛散する粉
末の損失を減少させることが可能な改良されたノズルを
提供することである。
さらのもう１つの目的は、ノズルの穴に粉末が付着する
のを回避し得る粉末供給プラズマノズルトーチに使用す
る改良されたノズルを提供することである。
さらにその他多くの目的は、添付図面ならびに特許請求
の範囲に記載した内容に示されている。
（問題点を解決するための手段） 上記の目的は、粉末をプラズマトーチのプラズマ柱に導
入するに当り、１・−チのノズルの下流または出口近傍
でのプラズマ柱の流れの方向との角度関係を４５゜〜５
０°、好ましくは５０’に保ち、また粉末はプラズマ柱
の流れの方向に対して上記角度による成分速度をもつこ
と、さらに、粉末供給プラズマトーチにおいて、ノズル
は中央の円筒状の孔（以下円筒孔という）が外力に向か
って出１コ端近傍で急激に張出し、複数の粉末供給孔は
ノズル本体を通過したのち、ｎｉｊ記円同円筒孔して外
側に開口する部分に連接している。粉末は粉末供給孔を
通り、ノズルの出口端またはその近傍で直接プラズマ柱
に入る。上記各粉末供給孔の技手軸の角度は、ノズルの
円筒孔長手軸に対して４５゜〜５０°、好ましくは５０
°を保持する構成を満たすことによって達成される。
（作用） 粉末供給孔の出口端は、拡がりのある出口孔を通るプラ
ズマ流とは完全に分離され、これによす粉末による粉末
供給孔の出口端の閉塞が避けられ、粉末供給孔の出口端
から出てプラズマ流に合流する粉末流の断面面積の実質
的な拡散は回避され粉末の損失量が削減される。
（実施例） 本発明が具体化されているプラズマトーチの一例は、周
知のプラズマ変換アークトーチに対して適用したもので
あり、本発明はその実施例として記述されている。しか
しこれらの発明は周知のプラズマ噴射トーチにおいて具
体化されると同様に他の各種のプラズマトーチに対して
も具体的に実施することができる。
プラズマ変換アークトーチ（以下ＰＴＡトーチと称する
）は、第１図に示すように、次の部材による典型的な構
成から成っている。すなわち、端末部材２はねじ孔３を
備え、ノズルはこのねじ孔３と螺合して交換可能に装着
されている。また長手方向に伸びている導管４、同じく
長手方向円筒状に伸びてテーパ端部６をもつ電極５が含
まれ、さらにＰＡＴ　トーチｌを囲むようにハウジング
７がｔｌが成されている。
ねじ孔３の長手軸は、導管４および電極５と互いに同心
、同軸」二に配置されている。導管４と電極５は、共に
リング状の通路８を形成する。ＰＴＡ　ｌ−−チｌが動
作すると、プラズマを形成する気体が通路８を通ってＰ
ＴＡトーチｌの下流端９または出口に向かって矢印１０
に示す方向に流れる。
複数の送検管１１は、ＰＴＡトーチ１を貫通して長手方
向に伸び、送検孔１２に連結する。
送検孔１２は端末部材２を斜めに貫通し、前記端末部材
２の平端面１３に図示のように傾斜して伸びている。
ＰＴＡトーチ１が動作すると、用意された所要量の粉末
は定常的に気体内で送検管１１の下流端に向かって搬送
され、矢印１４に示すように、送検管１１および送検孔
１２を通過する。
網状スクリーン１５は、端末部材２とハウジング７との
間に確実に延展しており、通常のやり方で気体を遮蔽し
て分配するように構成されている。
電極５と送検管１１は図示しないＰＴＡ　トーチｌ内で
適宜に支持されている。
ＰＴＡ　トーチｌは、特定の電気的接続具、冷却水や冷
却気体用の導管や通路のような多くの要素および部品を
包含している。これらの要素や部品については第１図に
図示せず、また仕様にも記載していない。これらは、本
発明の完全な理解には不要であり、その説明や記載が前
記発明の内容を不鮮明にしてしまうからである。これら
の要素ならびに部品は、いずれにしてもこの技術分野で
は公知のものである。
本発明によるノズル１６は第１図、第２図のように本体
１７と雌ねじ部１８とで構成されている。
雌ねじ部１８はＰＴＡ　トーチ１のねじ孔３に、本体１
７の上平面１９が対向する端末部材２の平端面１３に突
き当るまでねじ込まれる。
ノズルＩ６はテーパ孔２０を備え、中央の円筒孔２１に
連結し、さらに円錐状に外方に向かって開口する拡がり
のある出口穴２２（以下出口孔と略記）に連結する。こ
の出口穴２２は前記ノズル１６の下流端面２３および出
［」に連接する。
ノズル１６の本体１７には、複数の放射状に配置された
粉末供給孔２４があり、それぞれの粉末供給孔２４の長
手軸は円錐状に拡がった出口穴２２の円錐面と直角であ
る。
互いに対向する位置の粉末供給孔２４の長手１＋１１１
１は、全て９０’〜１００°、好ましくは＋００゜で交
叉し、これにより、円筒孔２１の長手軸とは４５６〜５
０６、好ましくは５００の角度を構成する。
出口穴２２は十分の深さを有すること、すなわち円筒孔
２１と交叉するノズル１６の上流点は、下流端面２３に
対して十分な広さをもつことが必要である。従って、粉
末供給孔２４の全ての下流端は、（各（力末供給孔２４
の終喘は出口穴２２に連結し）プラズマ柱に対しては、
極めて明確に分離し、粉末が通過することにより粉末供
給孔が閉塞することはない。その一方で、出口穴２２は
過度に深すぎてはならず、深ずぎると、粉末は粉末供給
孔２４の下流端の外側に射出されてしまうし。
また粉末の流れは、プラズマ柱に到達する前に拡散し、
基体または加工物２８から外れたところに必要量が飛散
してしまう。すなわち、このとき粉末は拡散によって密
着性を失う。本発明における好ましい実施例としては、
出口穴２２の深さは概ね０．０４３インチ、すなわち１
１冒１穴２２と円筒孔２１との交叉する点が、ノズル１
６の下流端面２３から上流に向かって０．０４３インチ
のところにある。
ノズル１６をＰＴＡトーチｌｌｃ雄ねシｔａｒｓ　ｌｓ
　ニより、対向するねじ孔３に取り付けると、」−平面
１９が対向する端末部材２の平端部１３に突き当たる。
そしてテーパ孔２０の長手軸は、円筒孔２１、円錐状に
拡がった出口穴２２と共にねじ孔３の長手軸、導管４お
よび電極５と同軸に配置される。
テーパ孔２０のテーバ角度は、好ましくは木質的に？１
ｔｔｆ２５のテーパ端部６のテーバ角度と同じにするこ
とである。
円錐状に拡がる出口孔２２は包括角αとして、８０’〜
９０６好ましくは８０’　を有し、従って円筒孔２１の
長手軸に対しては、α／２すなわち４０’〜４５６好ま
しくは４０″をなしている。
ノズル１６の本体１７には」二平面１９に沿って環状の
溝２５があり、粉末供給孔２４は出口穴２２との間を連
結している。ノズル１６をＰＴＡｌ・−チＩに対して上
述の方法によって取り付けたとき、端末部材２の平端部
１３は環状溝２５の頭部を閉塞する。これによって、環
状溝２５と平端部１３とが環状の空間部２６を形成する
ことになる。Ｐ　Ｔ　Ａ　ｌ−−チｌが動作すると、粉
末は送検孔１２を通って空間部２６に送られ、さらに粉
末供給孔２４を通ったのち、円錐状に拡がった出口穴２
２に到達する。
環状の空間部２６は、本体１７の上平面１９に円周状に
拡がっており、送検孔１２と粉末供給孔２４とを相互に
位置決めする必要はない。ＰＴＡ　ｌ−−チ１にノズル
１６を取付けたとき、最終位置の方向がどうであろうと
も、送検孔１２は常に空間部２６に連接し、粉末を空間
部２６に供給できるようになっている。
ＰＴＡｈ−チｌの動作中においては、プラズマを形成す
る気体の流れが開始され、一般的な方法でアークが形成
され、気体はイオン化して高温プラズマ柱を形成する。
これを一般的に円筒断面図上２７で示しており、基体ま
たは加工物２８に向かって投射する。これと同時に、例
えばＰ　ＴＡ＋−−チｌの特定の導管を通じて例えば冷
却水の供給のような他の一般的な動作工程が開始される
。
粉末は、送粉管１１を通り、送検孔１２を通って空間部
２６へ導かれ、さらに粉末供給孔２４を通って円錐状に
開口する出口穴２２に、ここでプラズマ柱２７に、その
流れ方向の成分速度に従って走り、プラズマ柱２７によ
って熱軟化し、溶化して基体または加工物２８の表面に
到達し被覆膜として置換されるに至る。
ここで、注記すべきことは、粉末は円筒孔２１を通して
送られるのではなく、ノズル１６の内部を通して送られ
ることである。このため、円筒孔２１の壁面に粉末が付
着する欠陥を回避することができる。このような粉末の
付着は、円筒孔２１を閉塞する結果を生じ、粉末の浪費
と、動作効率の低下を招くことにつながるものである。
本発明によるノズル１６の使用によれば、むしろ粉末は
プラズマ柱２７に直接またはノズル１６の下流端出口近
傍に送られ、プラズマ柱２７の流れ方向の成分速度に従
って走るものであるから、粉末供給のこの配列は、円筒
孔２１の壁面に粉末付着の可能性を生じさせないものと
なる。
さらに本発明によるノズル１６を使用することは、これ
まで実施されているような、ノズル１６の中心孔から半
径方向に、ある距離をおいたところから粉末をプラズマ
柱２７に投射するような方法をとらないことである。
これまでの実施例による配置では、結果的に粉末の流れ
が拡がって散乱し、ある断面に集中し密着性をうしなっ
てしまう。このような拡がりでは、プラズマ柱２７に達
するとき、基体または加工物２８から本来的に必要とす
るだけの粉末量が到達せず、結果として浪費的な動作状
態を出現する。
本発明によれば、粉末の流れはプラズマ柱２７の近傍に
向かって飛散することなく、集中してノズル１６の下流
端面２３の近傍に導かれ、円筒孔２１の長手方向と４５
゜〜５０″′の間、好ましくは５０°で導かれるように
なっている。この配列は、本質的な粉末の配列、すなわ
ち粉末供給孔２４の下流端からプラズマ柱２７までの粉
末通過距離に関する配列であり、それと結果的に粉末の
流れにおける拡がり、すなわちある断面における集中ま
たは密着性の喪失について、基体または加工物２８から
外れて飛散するものが全くないという結果をもたらすこ
の木質的な配列を容認するものである。これにより、原
価効率の高いＰ’「／１−チｌに関する動作が理解され
る。
以上の結論として、本発明は特に薄い端面溶接に有用で
、目的物の幅は、０．０５インチ乃至それ以下のもので
ある。
特許請求の範囲に記載した発明の構成から逸脱しない範
囲で、種々の変形や変化した技術が本発明に包含される
ことは明白である。
（発明の効果） 本発明の実施により、プラズマ変換トーチを使用して基
体または加工物に対して金属等の粉末投射を実施するに
際し、粉末の飛散損失が低減すると共に、トーチノズル
の出口穴における前記粉末による閉塞が防止され、優れ
た投射効率と経済性の高いプラズマトーチ用ノズルと、
プラズマ柱に粉末流を導入する効果的な方法が得られた
。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明に係る典型的なプラズマ変換アークトー
チの出口および下流端における長手方向の断面により、
トーチ内に本発明のノズルを螺着した状態を示す図、第
２図は第１図の下流側端面すなわち本発明のノズル出口
の平面図である。 ｌ・・・プラズマ変換アークトーチ（ＰＴＡトーチ）２
・・・端末部材　　　　　３・・・ねじ孔４・・・導管
　　　　　　　５・・・電極６・・・テーパ端部　　　
　７・・・ハウジング８・・・通路　　　　　　　９・
・・Ｆ原端１０．１４・・・矢印　　　１１・・・送検
管１２・・・送検孔　　　　　１３・・・平端面５・・
・網状スクリーン ７・・・本体 ９・・・上端面 ｌ・・・円筒孔 ２３・・・下流端面 ２５・・・環状溝 ２７・・・プラズマ柱

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、プラズマ流を生成し粉末を供給するプラズマトーチ
    用として使用するノズルにおいて、 入口側と出口側を備え前記入口側から前記出口側に向か
    って拡がり、前記入口側からの通過プラズマ流を受け入
    れるように適合した円筒孔と、 前記円筒孔につながる小径側と前記ノズルの出口側につ
    ながる大径側とを有する拡がりのある出口穴とを備え、 前記円筒孔と前記拡がりのある出口穴とは共通の長手軸
    を有し、前記拡がりのある出口穴は、前記円筒孔から前
    記プラズマ流を受入れると共に、前記出口側からの前記
    プラズマ流の放射に適合し、さらに 前記ノズル内を貫通して拡がる複数の粉末供給孔を備え
    、 前記各粉末供給孔は、粉末の受入れに適合する入口側と
    前記拡がりのある出口穴とに連接すると共に粉末の放射
    に適合する出口側とを有し、前記各粉末供給孔の長手軸
    と前記拡がりのある出口穴の長手軸とは、４５゜〜５０
    ゜の範囲の角度を構成していることを特徴とするプラズ
    マトーチ用ノズル。 ２、前記粉末供給孔の各長手軸と、前記拡がりのある出
    口穴の長手軸とは５０゜の角度をなすことを特徴とする
    請求項１記載のプラズマトーチ用ノズル。 ３、前記拡がりのある出口穴は円錐面を有し、前記粉末
    供給孔の各長手軸と直角に交って出口開口を形成してい
    ることを特徴とする請求項１記載のプラズマトーチ用ノ
    ズル。 ４、前記拡がりのある出口穴の深さは、 ０．０４３インチ（０．１０９ｃｍ）であることを特徴
    とする請求項１記載のプラズマトーチ用ノズル。 ５、前記円筒孔と前記拡がりのある出口穴との共通中心
    軸を中心とする円周上に、複数個配置された前記粉末供
    給孔の前記出口開口は、前記拡がりのある出口穴を通過
    するプラズマ流の流路から離れた位置に設けられている
    ことを特徴とする請求項１記載のプラズマトーチ用ノズ
    ル。 ６、プラズマトーチ用ノズルのプラズマ柱に向けて形成
    した粉末流を導入する方法において、前記プラズマ柱か
    ら離れて位置した前記ノズルの粉末供給孔から粉末流を
    前記プラズマ柱に向けて放射する段階と、 前記粉末流は前記プラズマ流に対し４５゜〜５０゜の角
    度で放射する段階とを含むことを特徴とするプラズマト
    ーチのプラズマ柱の内部に粉末を導入する方法。 ７、前記供給粉末流は、前記プラズマ流を中心とする円
    周方向の複数個所から前記プラズマ流に向けて放射する
    ことを特徴とする請求項６記載のプラズマトーチのプラ
    ズマ柱の内部に粉末流を導入する方法。
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