(57)【要約】【課題】ワイヤ供給速度の増大および熱効率の改善を可能とするワイヤ断面を用いる燃焼式ワイヤ溶射処理を提供する。【解決手段】燃焼式ワイヤ溶射処理のために供給ワイヤを成形することによって、より高い供給速度および高い作動効率の結果として、燃焼式ワイヤガンの稼働能力が改善される。ワイヤ断面の表面積を増大させると共にワイヤ材のさらに多くをバーナージェットに対して直にさらすことによって、ワイヤ溶融効率が従来システムに比べて向上する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼式ワイヤ溶射システムであって、
ワイヤ供給システムと、ワイヤ供給原料と、燃焼式ワイヤガンと、を具備してなり、
前記ワイヤ供給原料はある断面を有し、前記断面は、等しい内部面積を持つ円の周長の２／(π1/2)倍よりも大きな周長を有しており、
前記燃焼式ワイヤガンは、
ワイヤ供給原料を溶融させるための実質的に環状の火炎を発生させる燃焼チャンバーと、
前記ワイヤ供給システムから前記燃焼チャンバー内へ前記ワイヤ供給原料を案内するための少なくとも一組の供給ローラーと、を具備してなることを特徴とする燃焼式ワイヤ溶射システム。
【請求項２】
前記ワイヤ断面外周は実質的に中心を共有するものであることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記ワイヤ断面周長は、等しい内部面積を持つ円の周長の、少なくとも１.３倍であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記断面は、三つ以上の枝部を備えた略十字形、三つ以上の先端を備えた略星形、三つ以上の葉部を備えた略歯車形、略楕円形および略リボン形からなる群より選ばれた一つであることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記ワイヤ供給原料は、引き抜き、押し出し、あるいは成形技術を用いて形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記燃焼チャンバー内への供給に先立って前記ワイヤ供給原料が予熱されるようになっていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
燃焼式ワイヤ溶射を実施するための方法であって、
等しい内部面積を持つ円の周長の２／(π1/2)倍よりも大きな周長を有する断面を備えたワイヤを提供するステップと、
燃焼式ワイヤガン内に、一組以上の供給ローラーから前記ワイヤを供給するステップと、を具備することを特徴とする方法。
【請求項８】
前記ワイヤ外周は実質的に中心を共有するものであることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記ワイヤ周長は、等しい内部面積を持つ円の周長の、少なくとも１.３倍であることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記断面は、三つ以上の枝部を備えた略十字形、三つ以上の先端を備えた略星形、三つ以上の葉部を備えた略歯車形、略楕円形および略リボン形からなる群より選ばれた一つであることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
前記ワイヤ供給原料を、引き抜き、押し出し、あるいは成形技術を用いて形成することを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１２】
前記燃焼式ワイヤガン内への供給に先立って前記ワイヤ供給原料を予熱することを特徴とする請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して火炎溶射方法および装置に関する。特に本発明は、より高い施工(溶着)速度を可能とするワイヤ断面を用いた燃焼式ワイヤ溶射処理に関する。
【０００２】
この出願は、35U.S.C.セクション119(e)のもと、2006年1月26日に提出された米国仮特許出願第60/762,135号の優先権を主張する。この引用によって、その内容全体が本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００３】
燃焼式ワイヤ溶射システムは、さまざまな用途に関して金属被膜を生成するために何十年にもわたって使用されている。燃焼式ワイヤガンは、単位時間当たりに処理できる素材の量が制限されている。処理速度は、ガンのサイズ、ガス流速、ワイヤのサイズ(直径)、そしてワイヤの特性(融点、比熱その他)に依存する。たいていの用途に関して、経済的なコーティング手段を提供するのに、この処理速度は十分なものであるが、大量および高速施工は制限されていた。屋外または現場作業に関して溶射コーティングの請負施工者は、それに掛かった時間の合計ではなく、溶射された原料の量に基づいて価格レートを設定するが、これは処理量による生産性増大の動機付けにつながる。生産ラインでの大規模腐食用途では、一つの生産ラインで２０基もの処理ガンを使用することが必要となることがあり、有効消費と共に複雑さがそれに付随して増大する。処理速度のこの限界によって、燃焼式ワイヤ溶射は大量施工に関して制限されていた。したがって、単一の燃焼式ワイヤガンの処理速度を増大させるための手段を提供する必要がある。
【０００４】
ワイヤを予熱する最新の実験およびそのための方法の開示は、処理速度をかなりの程度増大させることができる可能性を論証したが、大量施工のために必要なガンの数をかなりの程度減少させるためには高い処理速度が必要とされる。ほとんどの溶射処理は、供給エネルギーに対する、処理を実施するのに必要なエネルギーに関して極めて低い効率で行われるので、処理速度をかなりの程度増大させることができる論証された可能性がある。
【０００５】
現在、ほとんど全ての溶射ワイヤは、一部のものが正方形であることを除いて、円形断面を有している。円形は、熱が表面を経て伝達される必要がある処理において使用するのには実のところ最も魅力のない形状である。これは、円形ワイヤが単位体積当り、したがって単位質量当り、最も小さな露出面積しか持たないからである。ゆえに、供給原料ワイヤの形状を改良することによって、燃焼式ワイヤ溶射を改善できる理論的および物理的な可能性がある。
【０００６】
処理の改善に関する事項は、ワイヤと、ブッシングすなわち燃焼領域にワイヤを案内するのに使用されるスリーブとの間のシールを維持する必要があるという認識である。シールが十分なものでないと、運転停止時に燃焼ガスがワイヤ経路を逆流し、バックファイアを生じる危険性が高い。
【０００７】
留意すべきその他の事項は、ワイヤを燃焼火炎の中で確実に均一に溶融させるためワイヤおよび燃焼火炎が中心を共有するよう、ワイヤの断面形状は燃焼火炎の形状と一致する必要があるという一般的な条件である。ワイヤガイドの使用およびワイヤを火炎に対して同心状に供給するためのその他の手段は、燃焼式火炎溶射ガンが最初に発明されたときから、さまざまな形態で具現化されている。
【特許文献１】米国仮特許出願第60/762,135号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、ワイヤ供給速度の増大および熱効率の改善を可能とするワイヤ断面を用いる燃焼式ワイヤ溶射処理を提供することによって上記の要請を満たすものである。ワイヤ溶融効率は、ワイヤ断面の表面積を増大させかつワイヤ材のさらに多くをバーナージェットに直にさらすことによって従来システムに対して改善される。
【０００９】
本発明の一態様に関して、燃焼式ワイヤ溶射システムが提供される。このシステムは、ワイヤ供給システムと；ワイヤ供給原料であって、ある断面を有し、この断面は等しい内部面積を持つ円の周長の２／(π1/2)倍よりも大きな周長を有しているようなワイヤ供給原料と；燃焼式ワイヤガンであって、ワイヤ供給原料を溶融させるための実質的に環状の火炎を発生させる燃焼チャンバーと、ワイヤ供給システムから燃焼チャンバー内へワイヤ供給原料を案内するための少なくとも一組の供給ローラーとを備えた燃焼式ワイヤガンと；を具備してなる。
【００１０】
本発明の他の態様に関して、燃焼式ワイヤ溶射を実施するための方法が提供される。この方法は、等しい内部面積を持つ円の周長の２／(π1/2)倍よりも大きな周長を有する断面を備えたワイヤを提供するステップと；燃焼式ワイヤガン内に、一組以上の供給ローラーからワイヤを供給するステップと；を具備する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図面は本発明のさらなる理解をもたらすためのもので、本明細書に組み込まれかつその一部をなし、本発明の実施形態を示し、そして明細書の記述と共に本発明の原理を説明する役割を果たす。
【００１２】
以下、本発明の好ましい実施形態(その実例は図示の通りである)について詳しく説明する。
【００１３】
図１は、本発明に従って使用可能な、既存の燃焼式ワイヤ溶射ガンの概略図である。図１に示すように、溶射ワイヤ２(通常はワイヤ供給原料ロール１から引き出される)は、供給ローラー４あるいは類似の機構を経て燃焼式ワイヤガン３へと供給される。供給ローラー４がワイヤ２をガン３内に、そして燃焼チャンバー１０内に押し込むが、この燃焼チャンバー１０においてワイヤ２は、それを加熱すると共に溶融させ、そして基体の上に溶融したワイヤ粒子８を噴出させる加熱ガスにさらされる。燃焼式ワイヤガンによって処理可能な原料の量を制限する一つの因子は、ワイヤを固体から溶融粒子へと変化させることができる速度である。
【００１４】
表面積を増大させるための溶射ワイヤ２の形状は、ワイヤを加熱し溶融させる処理に関して二つの顕著な利点をもたらす。第一の利点は、燃焼熱に最初にさらされる材がさらに多くなり、たとえばワイヤへの熱エネルギーの伝達がより促進されることである。第二に、熱が浸透しなければならない深さも単位質量当り低減され、これによって完全な溶融が生じる前の燃焼火炎内における必要滞在時間が短縮される。こうした利点が組み合わされたことによって、同等のガン運転パラメーターにおいて、かなり高いワイヤ供給速度が実現される。
【００１５】
理想的ワイヤ形状は、燃焼火炎に対して、単位質量当り、相当な量のワイヤ表面をさらずことになる。理論的観点からは、平坦なリボン形状または楕円形状が、閉じた体積(enclosed volume)当り最も望ましい大きさの表面積を提供することになる。リボンまたは楕円が平坦になればなるほど、包含体積に関して表面積は増大し、そして限りなく薄いリボンは限りなく大きな表面積と限りなく小さな包含体積とを持つことになる。実際的な観点からは、リボンあるいは楕円が平坦になればなるほど、そうしたワイヤの燃焼ガン内での処理は難しくなり、そして同心火炎(ほとんどの溶射ガンでは典型的なものである)内での加熱および溶融の成果は理想から遠ざかる。ゆえに、一例として図１を参照すると、ワイヤ２の最適断面形状の選択には、燃焼チャンバー１０内のガスパターンを考慮に入れるべきである。
【００１６】
四つの枝を備えた単純な十字形のようなワイヤ断面形状は、円に関する固定断面積に対して２倍以上の周長を有することができる。十字形ワイヤを使用する実際の態様は制限を受ける。なぜなら十字形状は、ワイヤを供給するのに一般的に使用されるワイヤスプールの上でワイヤを走行させることによって、そして燃焼ガン自体へのワイヤの供給によって、変形したり損傷を受けたりするからである。工業用スプーリング方法および工業用供給機構に対して慎重な変更を施すことによって、十字形状を使用できるようになる。だが、処理コストの著しい増大を招き得る変更を、既存の機器または手法にほとんどまたは全く施す必要がないことが望ましい。ゆえに、一例として図１を参照すると、ワイヤ２の最適断面形状の選択には、供給原料１の取り使いおよびワイヤ燃焼ガン３のための供給技術を考慮に入れるべきである。
【００１７】
使用のためのより実用的な形態は、複数の先端あるいは葉部を備えた星形または歯車形であろう。望ましいものと類似の形状は、現在、たとえばピニオンギアストックのような産業上の他の用途に関して、押し出し成形されるかあるいは引き抜き加工によって得られる。こうした形状もまた、燃焼式ワイヤガンに採用された典型的な供給ローラーを用いた供給にとって実用的である。表面積の増大(ただし平坦リボンを使う場合ほど劇的ではない)は依然として際立ったものである。図２Ａおよび図２Ｂには、従来型供給ワイヤ断面と、本発明の実施形態による供給ワイヤ断面とを比較して示す。図２Ｂには、六つの葉部(丸い突出部)を備えた花形断面の例を示すが、これは図２Ａの同じ面積の円形断面に比べて周長が４６％増大している。図２Ｂの独特の構造に関して、ワイヤ断面２０は３.０単位の直径２２と、１.５単位の半径２４とを有し、９.４２単位の周長２１と共に約７.０６平方単位の断面積２０を提供する。図２Ｂの六葉形実施形態は、３.５５単位の最大直径３２と、１.０８単位の内部半径３４とを有する。六つの葉部のそれぞれは、０.４５単位の半径３６を有すると共に、０.２３単位の半径を有するセクション３８とつながっている。結果として六葉形断面３０は、図２Ａの円形断面２０と同じ面積(７.０６平方単位)を有する。だが、六葉形断面３０の周長は１３.７４単位である。図２Ｂには六葉形を示したが、表面積の有益な増大をもたらすため、採用される葉部の個数はいくつであってもよい。
【００１８】
図２Ａの従来型ワイヤとは対照的に、成形ワイヤ(たとえば図２Ｂ)が燃焼処理を経るとき、増大した表面積によって燃焼ガスからワイヤ材へとより多くの熱が伝わり、これによって加熱および溶融速度が増大する。図３には、同じ露出面積を有する従来型ワイヤ２０および成形ワイヤ３０の理論的溶融具合を分かりやすく示す。両方のワイヤが等速で移動するならば、成形ワイヤ３０は、図３の距離Ｄから明らかであるように、円形ワイヤ２０よりも著しく速やかに溶融するであろう。したがって成形ワイヤはより高速で供給でき、単位時間当たりに溶融する原料は増大する。図３において示していないのは、溶融が生じるとき当該ワイヤは外側から内に溶融するので全体形状が大まかに維持され、そしてこれによって円形ワイヤ(このものは露出領域が図示のワイヤ３０の部分的に溶融した部分よりも素早く溶融する)に対して増大した表面積が維持されるということである。
【００１９】
溶融の速度に関する決定因子としてのみの露出表面積を大まかに問題にすると、溶射可能な原料の量における１２５％相当の改善は、図２Ｂの六葉形状を用いて実現される。より大きな全体サイズのワイヤを、したがってより大きな単位長さ当りの質量を使用する能力のような付加的要因によって、さらに高い供給速度の改善がもたらされる。本発明の実施形態によれば、供給速度の増大は、ガン供給システムに適合する事実上いかなる断面形状を採用しても実現でき、しかもガンの燃焼チャンバーを通過させられるとき、かなり均一な溶射特性を実現することができる。したがって本発明の実施形態は、等しい内部面積を持つ円の周長の２／(π1/2)倍よりも大きな周長(すなわち等しい断面積の正方形ワイヤのそれよりも大きな周長)を有する断面を備えた成形ワイヤを含む。
【００２０】
［実施例］
普通の直径１／８インチの円形青銅ワイヤと、同じ融点を持つ同じような真鍮素材からなる１０個の葉部を備えた市販のピニオンギア状原料とを、Sulzer Metco １４Ｅ 燃焼式ワイヤガンを用いて溶射し、比較した。二つのワイヤの特性を表１に示す。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
ギア状原料は、特に、表面積に関して最大限の実用的性能の向上の達成を実証するだけでなく、より太いワイヤを使用できる能力を実演するべく選定された。ギア状原料の中心直径は普通の１／８''円形ワイヤと一致するが、その一方で、葉部(丸い突出部)は外径を３／１６''まで増大させる。ワイヤを供給あるいは溶射するために１４Ｅガンを変更する必要はなかった。八分の一インチガン装置が円形ワイヤと共に使用され、かつ３／１６''ガン装置が成形ワイヤと共に使用された。
【００２３】
２回の溶射作業に関して両方のワイヤを同一の１４Ｅガンに供給し、一方の作業は円形ワイヤを用い行い、他方の作業では成形ワイヤを用いて行った。いずれの作業に関しても作動ガス流および条件は同じものである。各場合におけるワイヤの速度は、吹き返しが発生し始める程度まで増大させ、その後、吹き返しがぴったり止まるまで低減させた。ワイヤの速度は、その後、各ワイヤに関する供給速度を計算するのに利用した。円形ワイヤに関しては、実現可能な最大供給速度は１３７ｇ／minであった。成形ワイヤに関しては、達成された最大供給速度は４４３ｇ／min(２２３％改善)であった。いずれの施工でも、溶着効率(基体の上に達したワイヤの質量／溶射されたワイヤの質量×１００％)は約８０％で概ね同一であり、しかも得られた被膜は、図４に示すように、同じ仕上がり外観および特性を有していた。図４は、一般的な円形ワイヤを用いて得られた実際の被膜(２枚の左側の板)と、十葉形状ワイヤを用いて得られた実際の被膜(２枚の右側の板)とを対比させたものである。
【００２４】
成形ワイヤを用いて得られた付加速度のいくらかは、僅かに低い溶融温度に起因すると考えることができるが、増加速度の大部分は露出表面積の増大に起因する。
【００２５】
逆方向のガス流を許容する成形ワイヤの葉部間の露出領域によって生じるバックファイアの可能性は、ガンの停止時、この露出間隙は凝固する供給原料によって閉ざされる傾向があり、これがワイヤ供給経路を通ってガスが逆流するのを阻止する、という事実によって最小限に抑えられる。実際の試験時に、バックファイアの発生は観察されなかった。
【００２６】
上記開示内容および実施例が提示されれば、当業者は、単位質量当りの表面積の増大を促進させ、したがって供給速度の増大を促進させるために燃焼式ワイヤガンに供給できる、その他の実施可能なワイヤ形状を直ちに予見できる。図５ないし図９には、その他の適当な断面形状の代表例を示す。図５に示すのは、０.０１７７平方単位の面積に対して０.７１０６単位の周長を有する十字形断面である。図５には四つの枝を示しているが、三つあるいはそれ以上の枝を備えた断面を用いることもできる。たとえば図８に示すのは、０.０１４４平方単位の面積に対して０.６０９単位の周長を有する代表的な三枝断面であり、そして図９に示すのは、０.０１７８平方単位の面積に対して０.９２３４単位の周長を有する代表的な六枝断面である。図６に示すのは、０.０１２９平方単位の面積に対して０.６２２７単位の周長を有する星形断面である。図６には五つの先端を示しているが、三つあるいはそれ以上の先端を備えた断面を用いることもできる。図７に示すのは偏平な楕円形すなわちリボン形断面であり、これは楕円形状の燃焼チャンバーを有するガンと共に使用するのに最も有効であろう。図７の偏平楕円は、０.０１５１平方単位の面積に対して０.４６５５単位の周長を有する。
【００２７】
ワイヤ供給速度のさらなる向上は、ここに開示した概念と、2005年7月27日に提出され、通例的に譲渡された同時継続米国特許出願第11/190,002号(その全体がこの引用によって本明細書に組み込まれる)に開示されたもののような燃焼式溶射処理に関するワイヤ予熱技術とを組み合わせることによって達成可能である。
【００２８】
上記説明は本発明のある好ましい実施形態を提示したに過ぎず、他の形態も、燃焼火炎に対してさらされる表面積の最適化に関して考えられる。たとえば、波形(スカロップ)あるいは鋸歯状の外周部もまた好ましい効果をもたらし得る。したがって、本発明の代表的実施形態について図示すると共に説明したが、当業者には、そうした実施形態が例証としてのみ提示されたものであることは明白であろう。本明細書に開示された本発明の範囲から逸脱しない、さまざまな仮想的変更、変形および置き換えは、当業者にとって明白であろう。したがって、本発明は特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に従って使用するための既存の燃焼式ワイヤ溶射ガンの概略図である。
【図２Ａ】従来型の供給ワイヤの断面図である。
【図２Ｂ】本発明の実施形態による供給ワイヤの断面図である。
【図３】従来型供給ワイヤと本発明による供給ワイヤとを対比させて示す図である。
【図４】従来型の円形ワイヤと本発明の実施形態による葉形ワイヤとを用いて形成された実物被膜の対比図である。
【図５】本発明の実施形態による供給ワイヤの十字形断面を示す図である。
【図６】本発明の実施形態による供給ワイヤの星形断面を示す図である。
【図７】本発明の実施形態による供給ワイヤの偏平楕円形断面すなわちリボン形断面を示す図である。
【図８】本発明の実施形態による供給ワイヤの三枝形断面を示す図である。
【図９】本発明の実施形態による供給ワイヤの六枝形断面を示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  ワイヤ供給原料ロール
２  溶射ワイヤ
３  燃焼式ワイヤガン
４  供給ローラー
８  ワイヤ粒子
１０  燃焼チャンバー
【図１】
2007197833.tif 000004
【図２Ａ】
2007197833.tif 000005
【図２Ｂ】
2007197833.tif 000006
【図５】
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【図６】
2007197833.tif 000008
【図７】
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【図８】
2007197833.tif 000010
【図９】
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【図３】
2007197833.tif 000012
【図４】
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【外国語明細書】
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