(57)【要約】【課題】円形鋼構造物の内壁面の被溶射面に、精度の高い膜厚分布の均等な溶射皮膜を自動施工すること。【解決手段】自動溶射装置１０は、昇降可能なテーブル１１と、このテーブルの上に水平回転可能に取り付けられた水平板１３と、この水平板の上に水平前後移動可能に取り付けられたスピンドル１８と、このスピンドルの先端に回転可能に取り付けられて円形鋼構造物の内壁面の被溶射面（特に、水車汲出し管１の出口ライナー２の階段状内壁面２ａ，２ｂ）に向けられている溶射ガン２１，２４とを包含する。テーブル１１の昇降運動（上下移動）と水平板１３の回転運動とを制御することにより垂直面２ａに対して、またスピンドル１８の水平運動（前後移動）と水平板１３の回転運動とを制御することにより水平面２ｂに対して、それぞれ精度の高い膜厚分布の均等な溶射皮膜を自動施工することができる。【選択図】　　　図１
2004018983.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円形鋼構造物の内壁面を自動溶射する装置において、昇降可能なテーブルと、このテーブルの上に水平回転可能に取り付けられた水平板と、この水平板の上に水平前後移動可能に取り付けられたスピンドルと、このスピンドルの先端に回転可能に取り付けられて前記円形鋼構造物の内壁面の被溶射面に向けられている溶射ガンとを包含することを特徴とする自動溶射装置。
【請求項２】
円形鋼構造物の内壁面の被溶射面に対し、垂直面用溶射ガンと水平面用溶射ガンとが一緒に又は交換可能に取り付けられていることを特徴とする請求項１記載の自動溶射装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の自動溶射装置を用いて円形鋼構造物の内壁面の被溶射面を自動溶射する方法であって、
最初の溶射ガンの円周軌道を１回転＋α、次のピッチの円周軌道を逆回転１回転、さらに次の円周軌道を再び逆回転１回転＋αを繰り返して被溶射面を全面被覆した後、最初の円周軌道に戻し、今度は１回転のみ、次いで逆方向の１回転＋αの距離繰り返し溶射し、最終的にはαの溶射部が被溶射面の全てにわたるようにしたことを特徴とする自動溶射方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水力、火力、原子力発電所などに設置されている大形鋼管のような円形鋼構造物の内壁面を自動溶射する装置及びその自動溶射方法に関する。
特に、本発明は円形鋼構造物の内壁面の被溶射面が階段状の垂直面及び水平面であるもの、例えばフランシス水車などのランナー（羽根車）のシュラウドが回転摺動する出口ライナーの内壁面を、土砂などに対する耐摩耗性、耐食性を向上させるために溶射して皮膜を施工するのに有効である。しかしながら、本発明は、円形鋼構造物の内壁面の被溶射面が垂直面だけである場合、又は水平面だけである場合、若しくは傾斜面である場合でも有効に適用可能なものである。
【０００２】
【従来の技術】
溶射法は、金属（合金）、セラミック、サーメットなどの材料をプラズマジェットや可燃性の炭化水素と酸素との燃焼フレームなどの熱源によって溶融若しくは軟化状態の微粒子として、被処理体の表面に吹き付けて皮膜を形成する表面処理方法である。したがって、熱エネルギーによって溶融・軟化するものであれば、金属材料はもちろんのこと、酸化物、硼化物、ガラス、プラスチックなども成膜できるため、材料が保有する多彩な機能を表面皮膜として利用できる特徴がある。
【０００３】
また、炭化物のように硬質であるものの、熱源中で明確な融点を示さず、分解したり、酸化して変質しやすい材料には、金属質を混在させることによって、これをバインダーとして金属質の接合力を利用して炭化物粒子を相互に結合させることによって、皮膜を形成させることが可能であり耐摩耗皮膜として汎用されている。
【０００４】
一方、溶射装置は溶射ガン、熱源（電気、燃料など）及び溶射粉末供給装置があれば、容易に施工できることなどから可搬性で現地作業に富んだ表面処理装置として評価され、大形の鋼構造物の防食・耐高温環境性皮膜などの施工に適用されている。
【０００５】
例えば、屋外の大形鋼構造物の防食対策として亜鉛・アルミニウム及びそれらの合金溶射として溶射皮膜の品質（ＪＩＳ　Ｈ８３００　１９９９）、溶射皮膜試験法（ＪＩＳ　Ｈ８６６１　１９９９）などが制定されている。ただ、これらの現地溶射の大部分は、作業者が溶射ガンを持って施工するいわゆる人力による皮膜形成であり、施工した溶射皮膜の品質管理が十分に行われていない状態にある。亜鉛・アルミニウム溶射皮膜のように鋼構造物に対して犠牲陽極作用によって防食する場合には、厳格な膜厚管理を必要としない場合が多いので、このような場合には膜厚の分布が大きくても問題となることは少ない。
【０００６】
ただ、防食を目的とした溶射皮膜でも、ボイラ蒸発管壁のように大面積の平面を対象とする場合には特開平１０−３１０８６０号公報に開示されているような自動溶射装置が適用されている。この自動溶射装置は、軸線が水平に対して傾斜したボイラ炉壁管から成る垂直な火炉壁に対して自動溶射するものであるが、しかし、この場合の溶射皮膜でも防食を目的としているため、厳格な膜厚管理を必要とせず、最小膜厚を管理しているのみである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の大形鋼構造物の溶射皮膜施工を目的とした自動溶射装置には、次の問題点がある。
（１）被溶射面が平面又はボイラ鋼管のような円筒の形状を示すもののほぼ平面として取り扱えるため、溶射ガンの移動が往復運動に限定されている。
（２）皮膜材質が金属（合金）に限定され、膜厚の許容範囲が大きく、仮に膜厚分布に大きな幅が存在しても耐食性に必要な最小膜厚が確保されていれば問題がないので、厳格な膜厚管理を無視した装置となっている。
（３）硬質で耐摩耗性及び耐キャビテーション・エロージョン性に優れた性能を示す炭化物サーメット皮膜は現地作業によって成膜後、これを機械加工などにより膜厚を均一にすることは困難であるため、精度の高い膜厚分布を有する皮膜の施工可能な自動装置の開発が望まれているが、未だに完成されていない。
（４）特に、本発明が対象とするような大形円形鋼構造物の内壁面の被溶射面が階段状になっていて、しかも、その水平面と垂直面とに硬質の炭化物サーメット皮膜を精度の高い膜厚分布で施工する自動溶射装置は開発されていない。
【０００８】
本発明は以上述べた事情に鑑みなされたもので、その課題は円形鋼構造物の内壁面の被溶射面に精度の高い膜厚分布の均等な溶射皮膜を自動施工できる装置及び方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１に係る本発明は、円形鋼構造物の内壁面を自動溶射する装置において、昇降可能なテーブルと、このテーブルの上に水平回転可能に取り付けられた水平板と、この水平板の上に水平前後移動可能に取り付けられたスピンドルと、このスピンドルの先端に回転可能に取り付けられて前記円形鋼構造物の内壁面の被溶射面に向けられている溶射ガンとを包含することを特徴とする。
【００１０】
このような手段によれば、テーブルの昇降運動（上下移動）と水平板の回転運動とを制御することによって円形鋼構造物の内壁垂直面に対して精度の高い膜厚分布の均等な溶射皮膜を自動施工することができ、また、スピンドルの水平運動（前後移動）と水平板の回転運動とを制御することによって円形鋼構造物の内壁水平面に対して精度の高い膜厚分布の均等な溶射皮膜を自動施工することができる。
【００１１】
また、請求項２に係る本発明は、円形鋼構造物の内壁面の被溶射面が階段状の垂直面及び水平面であって、垂直面用溶射ガンと水平面用溶射ガンとが一緒に又は交換可能に取り付けられていることを特徴とする。
【００１２】
このような手段によれば、円形鋼構造物の階段状内壁面に対して精度の高い膜厚分布の均等な溶射皮膜を自動施工することができる。
【００１３】
さらに、請求項３に係る本発明は、以上述べた自動溶射装置を用いて円形鋼構造物の内壁面の被溶射面を自動溶射する方法であって、最初の溶射ガンの円周軌道を１回転＋α、次のピッチの円周軌道を逆回転１回転、さらに次の円周軌道を再び逆回転１回転＋αを繰り返して被溶射面を全面被覆した後、最初の円周軌道に戻し、今度は１回転のみ、次いで逆方向の１回転＋αの距離繰り返し溶射し、最終的にはαの溶射部が被溶射面の全てにわたるようにしたことを特徴とする。
【００１４】
このような手段によれば、溶射ガンを一方向のみではなく正逆二方向（時計回転方向と反時計回転方向）に回転させる方法で、円形鋼構造物の内壁面の被溶射面に対して精度の高い膜厚分布の均等な溶射皮膜を自動施工することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１６】
図１は本発明を、大形の円形鋼構造物であるフランシス水車のランナー（羽根車）のシュラウドが摺動する出口ライナーの階段状内壁面を自動溶射する場合に適用した例を示す。
【００１７】
図１において、符号１はフランシス水車などの吸出し管であり、この吸出し管の出口端には出口ライナー２が取り付けられており、この出口ライナーの階段状内壁面の垂直面２ａ及び水平面２ｂが溶射対象となっている。
【００１８】
本実施形態によれば、自動溶射装置１０は、上部に円形のテーブル１１を備えていると共にこのテーブルの昇降機構（図示省略）を内蔵した主軸１２を基礎支柱とし、またテーブル１１の上には、このテーブルの中心点を軸としてテーブル上を水平に回転移動する機能を備えた水平板１３が設けられている。
【００１９】
なお、テーブル１１の昇降は主軸１２の下部に配設されたモータ１４によって行われ、またテーブル１１の上に設けられた水平板１３の回転移動は、テーブル１１の下部に取り付けられたモータ１５によって行われる。
【００２０】
さらに、水平板１３の上には、前後の水平移動機構を備えた横型のシリンダー１６が取り付けられ、モータ１７の作動によって、Ｌ字型をした水平移動スピンドル１８が前後に運動するようになっている。
【００２１】
さて、以上述べた自動溶射装置１０を用いて円形鋼構造物の内壁面の垂直面、すなわち本実施形態によれば出口ライナー２の内壁垂直面２ａを溶射する場合には、Ｌ字型をした水平移動スピンドル１８に取り付けたロータリーアクチュエータ１９に鋼製のアーム２０を取り付け、このアームに溶射ガン２１を、被溶射面（内壁垂直面）２ａに対して所定の角度、最適には９０°の角度で溶射できるように固定する。
【００２２】
このように、最適には、溶射ガンと被溶射面とは、常に溶射粒子が９０°の角度で衝突すると共に、両者の距離を適切に保つ必要がある。このため、本発明装置では、水平移動スピンドル１８を前後に調整することによって、自由に距離を変化させることができ、また、主軸１２のモータ１４によって、テーブル１１を上下に移動させることによって、溶射部を上下に移動可能となっており、精度の高い溶射皮膜を形成させることができる。なお、図１において、符号２１’は実線で示されている溶射ガン２１が１８０°回転されている位置を示している。
【００２３】
一方、被溶射面が水平面、すなわち本実施形態によれば出口ライナー２の内壁水平面２ｂを溶射する場合には、ロータリーアクチュエータ１９の上部にＬ字型をした鋼製のアーム２３を取り付け、このアームの先端に溶射ガンの姿勢を調整するためのエアシリンダー２３及び溶射ガン２４を下方に向けて取り付ける。ここでも、溶射粒子が９０°の角度で被溶射面（内壁水平面）２ｂに衝突するように溶射ガン２４を配設する。この垂直に取り付けられた溶射ガン２４は、水平の移動スピンドル１８を前後に移動させることによって、また、水平板１３の回転による円周方向への回転によって、精度の高い溶射皮膜を形成させることができる。
【００２４】
なお、溶射ガン２１，２４には、それぞれ溶射粉末材料を供給するためのホース、燃料や酸素、ときにはＡｒガスを供給するためのホースが取り付けられているが、ここではその詳細は省略する。
また、図１において、主軸１２を固定するための固定板２５、この固定板の水平位置を調整するための微調整支柱２６がそれぞれ設けられており、これらが溶射装置の正確な位置決めと溶射皮膜の均等な施工仕上がりを支えている。
さらに、垂直面用の溶射ガン２１と水平面用の溶射ガン２４とは一緒ではなくて交換自在にスピンドル１８に取り付けるようにすることもできる。
【００２５】
次に、本発明の自動溶射装置の運転方法、すなわち自動溶射方法について説明する。
【００２６】
本発明の自動溶射装置によれば、円形鋼構造物の内壁面を自動装置に装着した溶射ガンを回転させることによって連続的に溶射皮膜を施工することが可能である。しかし、実際の溶射ガンには、燃料・酸素・溶射粉末材料などのホースが取り付けられているため、一方向のみに連続回転することは困難である。
【００２７】
このため、本発明の自動溶射装置による円形鋼構造物の内壁面の溶射には、次に示すような溶射軌道を描くようにした。
すなわち、内壁水平面を溶射する場合を例にとると、図２に示すように溶射ガンの位置を決めた後（Ａ点）、最初の水平面の溶射は、３６０°＋αとしてα分の距離の皮膜を重複させて時計廻りに、その後溶射軌道を変えて（ここでは溶射ガンの回転半径を小さくする）、今度は逆方向（反時計廻り）に３６０°を溶射する。
次に溶射ガンの回転半径をさらに小さくした後、再び回転方向を変えて時計廻りに３６０°＋αの距離を溶射した後、再度回転半径を小さくして反時計廻りに３６０°溶射する。以下、これを繰り返して全面に溶射する。
【００２８】
このようにして、水平面全体が溶射皮膜によって覆われると、今度は最初の軌道（最外層）のＢ点に溶射ガンの位置を決め、３６０°の溶射、次いで３６０°＋αの溶射を繰り返し、最終的にはαの位置が溶射面全体に及ぶようにすることによって膜厚の均一化を図ることができる。
【００２９】
ここで、αの距離は、例えば溶射皮膜を１０層重ねる場合には、３６０°を１０で割った値の３６°とすることができるが、円の半径により適宜選択される。また、溶射軌道のピッチも溶射ガンや溶射材料の種類によって適宜選択される。さらに、被溶射面が垂直面の場合は、溶射ガンの位置を上下方向のピッチに変えて上記と同じ操作を行うことによって、均等な膜厚の皮膜を施工することができる。
【００３０】
次に、本発明の実施例について述べる。
【００３１】
＜実施例１＞
本実施例は、その溶射施工部の断面を図３の（Ａ）に，またその皮膜厚さを測定した位置を図３の（Ｂ）にそれぞれ示すように、直径１７２２ｍｍの鋼構造物（図１に示した出口ライナー２）の内壁面に設けられた階段状の垂直面２ａの一部（１０ｍｍ幅：全幅でもよいが、一部とした）と水平面２ｂの全部（４０ｍｍ幅）とを被溶射面として、本発明の自動溶射装置を用いた場合と、自動溶射装置を用いず作業者が溶射する場合（手盛り）について、それぞれ溶射皮膜ａ，ｂを施工した後、その皮膜厚さを測定して膜厚分布を調査した。
【００３２】
なお、本実施例で用いた溶射法は、炭化水素／酸素の燃焼エネルギーを熱源とする高速フレーム溶射法であり、被溶射面をブラスト処理した後、溶射粉末材料としてＷＣ−２０ｍａｓｓ％Ｎｉ−７ｍａｓｓ％Ｃｒを使用した。
また、膜厚測定位置は、次のとおりである。
平面部（４０ｍｍ幅）　　　Φ１６８２　山側基準時計回り　１２点
膜厚目標０．３ｍｍ（許容値０．２〜０．６ｍｍ）
垂直部（１０ｍｍ幅）　　　Φ１７２２　山側基準時計回り　１２点
膜厚目標０．１５ｍｍ（許容値０．１〜０．３ｍｍ）
【００３３】
そして、その膜厚測定結果を表１に要約した。
【表１】
2004018983.tif 000003
【００３４】
この表１の結果から明らかなように、本発明の自動溶射装置によって施工された溶射皮膜の膜厚分布の方が小さいことが確認された。すなわち、
（１）手盛りによる成膜
水平面における最高膜厚（５１６μｍ）と最低膜厚（２９４μｍ）との差は２２２μｍ、そして、垂直面における最高膜厚（２９８μｍ）と最低膜
厚（２３１μｍ）との差は６７μｍである。
（２）本発明の自動装置を用いた成膜
水平面における最高膜厚（３９０μｍ）と最低膜厚（３１０μｍ）との差は８０μｍ、そして、垂直面における最高膜厚（２２３μｍ）と最低膜厚
（１９０μｍ）との差は３３μｍである。
【００３５】
＜実施例２＞
本実施例では、実施例１で施工された溶射皮膜の断面について、光学顕微鏡によって観察し、皮膜の緻密度（気孔率）とミクロ硬さを測定して、本発明の自動溶射装置によって得られた溶射皮膜の品質を手盛り溶射の場合と比較し、これらの結果を表２に取りまとめた。なお、調査した皮膜は、図３の（Ｂ）に記載したＮｏ．３，６，９，１２の位置から採取したものである。
【表２】
2004018983.tif 000004
【００３６】
この表２の結果から明らかなように、本発明の自動溶射装置によって施工された皮膜は、全般に気孔率が小さく緻密であるとともに、ミクロ硬さの値も大きく硬質であり、品質のバラツキも少ないことが確認された。
【００３７】
＜実施例３＞
本実施例は、実機の発電用水車について、カバーライナーの内壁面に対し、土砂摩耗対策を目的とした溶射皮膜の施工を本発明の自動溶射装置を用いて実施した例である。この場合のライナーは鋼鉄製で直径１７２２ｍｍ、またライナー内壁の被溶射面は水平面（幅４０ｍｍ）であり、それぞれ溶射材料としてＷＣ−２０ｍａｓｓ％Ｎｉ−７ｍａｓｓ％Ｃｒを用いて、膜厚３００μｍを目標として高速フレーム溶射法によって皮膜を形成した。
この結果、従来の溶射手盛り作業では、２名の作業員で１０時間を要した皮膜の施工が２時間で完了した。また、施工された皮膜の厚さは非常に均等で、成膜後の機械研磨による皮膜厚さの調整は全く不要であった。
【００３８】
【発明の効果】
以上述べた如く、請求項１に係る本発明は、円形鋼構造物の内壁面を自動溶射する装置において、昇降可能なテーブルと、このテーブルの上に水平回転可能に取り付けられた水平板と、この水平板の上に水平前後移動可能に取り付けられたスピンドルと、このスピンドルの先端に回転可能に取り付けられて前記円形鋼構造物の内壁面の被溶射面に向けられている溶射ガンとを包含し、これにより、テーブルの昇降運動（上下移動）と水平板の回転運動とを制御することによって円形鋼構造物の内壁垂直面に対して精度の高い膜厚分布の均等な溶射皮膜を自動施工することができ、またスピンドルの水平運動（前後移動）と水平板の回転運動とを制御することによって円形鋼構造物の内壁水平面に対して精度の高い膜厚分布の均等な溶射皮膜を自動施工することができるので、大形の円形鋼構造物の内壁面の被溶射面に耐摩耗性・耐キャビテーション・エロージョンに優れた炭化物サーメット皮膜を均等に成膜することが可能である。
【００３９】
そして、本発明の自動溶射装置によって施工された皮膜は、従来技術による手盛り皮膜に比較して、単に膜厚が均等であるばかりか緻密かつ硬度が高く、溶射皮膜の機能を最大限に引き出すことができる。また、本発明の自動溶射装置の採用によって、溶射熱源に起因する有害な紫外線や赤外線の被爆に加え、粉塵や騒音環境から作業員を守ることができ、作業環境の向上に大きな効果が得られる。さらに、本発明の自動装置の使用によって溶射加工に要する時間が従来の３０％〜５０％に短縮することができるので、生産性の向上にも大きな貢献が期待できる。
【００４０】
また、請求項２に係る本発明は、円形鋼構造物の内壁面の被溶射面が階段状の垂直面及び水平面であって、垂直面用溶射ガンと水平面用溶射ガンとが一緒に又は交換可能に取り付けられ、これにより、円形鋼構造物の階段状内壁面に対して精度の高い膜厚分布の均等な溶射皮膜を自動施工することができるので、上述した請求項１に係る本発明と同様な効果が得られる。
【００４１】
さらに、請求項３に係る本発明は、以上述べた自動溶射装置を用いて円形鋼構造物の内壁面の被溶射面を自動溶射する方法であって、最初の溶射ガンの円周軌道を１回転＋α、次のピッチの円周軌道を逆回転１回転、さらに次の円周軌道を再び逆回転１回転＋αを繰り返して被溶射面を全面被覆した後、最初の円周軌道に戻し、今度は１回転のみ、次いで逆方向の１回転＋αの距離繰り返し溶射し、最終的にはαの溶射部が被溶射面の全てにわたるようにし、これにより、溶射ガンを一方向のみではなく正逆二方向（時計回転方向と反時計回転方向）に回転させる方法で、円形鋼構造物の内壁面の被溶射面に対して精度の高い膜厚分布の均等な溶射皮膜を自動施工することができるので、上述した請求項１に係る本発明と同様な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】円形鋼構造物の内壁面を溶射施工する本発明の自動溶射装置の一例を示す組立概略図である。
【図２】図１の自動溶射装置を用いて自動溶射する方法の一例を示す図である。
【図３】（Ａ）は本発明の自動溶射装置によって自動溶射された円形鋼構造物の階段状内壁面（出口ライナー）の溶射施工部を示す図、（Ｂ）はその膜厚測定位置を示す図である。
【符号の説明】
１　　汲出し管
２　　出口ライナー
２ａ　内壁垂直面（被溶射面）
２ｂ　内壁水平面（被溶射面）
１０　自動溶射装置
１１　テーブル
１２　主軸
１３　水平板
１４　モータ（昇降用）
１５　モータ（回転用）
１６　シリンダー
１７　モータ（水平移動用）
１８　スピンドル
１９　ロータリーアクチュエータ
２１　溶射ガン（垂直面用）
２２　アーム
２３　エアシリンダー
２４　溶射ガン（水平面用）２５　主軸固定板
２６　水平微調整支柱
【図１】
2004018983.tif 000005
【図２】
2004018983.tif 000006
【図３】
2004018983.tif 000007