(57)【要約】【課題】本発明は、溶射ガンの燃焼チャンバにワイヤが到達する前に、ワイヤ供給原料を予熱することによって溶射プロセスの動作効率を向上させる、溶射ガン装置及び方法を提供する。【解決手段】噴射ガンのワイヤ給送機構がワイヤに係合する前又は後の時点で供給ワイヤを予熱するための、方法及び構成を開示する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワイヤ・フィーダ及び燃焼チャンバを有する溶射装置を用いて被膜を生成する方法であって、
加熱溶融可能材料のワイヤを備えるワイヤ供給原料を提供するステップと、
前記ワイヤ供給原料からの前記ワイヤを、周囲条件を超える温度まで加熱するステップと、
前記ワイヤ・フィーダを、前記溶射装置内へと前記ワイヤを給送するために使用するステップと、
前記加熱溶融可能材料を含む噴射流が前記ワイヤ先端から推進されるよう前記ワイヤの先端が溶解及び霧化される位置まで、前記加熱されたワイヤを前記燃焼チャンバ内へと給送するステップと、
前記噴射流を基材へと送りその上に被膜を生成するステップとを含む方法。
【請求項２】
周囲条件を超える前記温度が、前記加熱溶融可能材料の前記溶融点以下の温度である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ワイヤが、前記燃焼チャンバに入る前に、誘導加熱、抵抗加熱、伝導加熱、及び輻射加熱のうち１つ又は複数によって加熱される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記加熱ステップが、前記ワイヤ・フィーダを使用する前記ステップの前に実施される第１の加熱ステップである、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第１の加熱ステップは、前記ワイヤ・フィーダを使用する前記ステップが行われるときに最適の給送前温度が実現されるように前記ワイヤ温度を上昇させる、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記ワイヤ・フィーダを使用する前記ステップの後に前記ワイヤを加熱する、第２の加熱ステップを更に含む、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記第２の加熱ステップが、周囲条件を超える、前記加熱溶融可能材料の前記溶融点以下の温度まで前記ワイヤ温度を上昇させる、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記ワイヤを加熱するステップが、前記ワイヤ・フィーダを使用する前記ステップの後に実施される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
周囲条件を超える前記温度が、前記加熱溶融可能材料の前記溶融点以下の温度である、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記加熱溶融可能材料が、主に銅、アルミニウム、スズ、又は亜鉛である、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
ワイヤ燃焼溶射装置であって、
環状加熱フレームを生成するためのノズル手段と、
加熱溶融可能材料のワイヤを、周囲条件を超える温度まで予熱するための加熱手段と、
前記ワイヤが前記加熱フレームによって前記ワイヤ先端で溶解されるように、前記ワイヤを前記ノズルから軸方向に前記加熱フレーム内で給送するための給送手段と、
前記ワイヤ先端から前記溶解された材料を霧化し、前記霧化された材料を噴射流中で推進するための霧化手段とを含む装置。
【請求項１２】
周囲条件を超える前記温度が、前記加熱溶融可能材料の前記溶融点以下の温度である、請求項１１に記載の噴射ガン。
【請求項１３】
前記加熱手段が、誘導加熱、抵抗加熱、伝導加熱、及び輻射加熱のうちの１つ又は複数である、請求項１１に記載の噴射ガン。
【請求項１４】
前記加熱手段は、前記ワイヤが前記給送手段に接触する前に前記加熱手段を通過するように配置される、請求項１１に記載の噴射ガン。
【請求項１５】
前記加熱手段は、前記加熱されたワイヤが前記給送手段に到達するときに前記最適の給送前温度が実現されるように、前記ワイヤ温度を上昇させる、請求項１４に記載の噴射ガン。
【請求項１６】
前記給送手段の下流に配置される第２の加熱手段を更に含む、請求項１４に記載の噴射ガン。
【請求項１７】
前記第２の加熱手段が、周囲条件を超える、前記加熱溶融可能材料の前記溶融温度以下の温度まで前記ワイヤ温度を上昇させる、請求項１６に記載の噴射ガン。
【請求項１８】
前記加熱手段は、前記ワイヤが前記給送手段と接触した後に前記加熱手段を通過するように配置される、請求項１１に記載の噴射ガン。
【請求項１９】
前記加熱手段が、前記ワイヤを、前記加熱溶融可能材料の前記溶融点以下の温度まで加熱する、請求項１８に記載の噴射ガン。
【請求項２０】
前記加熱手段によって加熱される前記加熱溶融可能材料が、主に銅、アルミニウム、スズ、又は亜鉛である、請求項１１に記載の噴射ガン。
【請求項２１】
加熱されたワイヤ供給原料を溶射ガンの燃焼チャンバへと送達する方法であって、
加熱溶融可能材料のワイヤを備えるワイヤ供給原料を提供するステップと、
前記ワイヤ供給原料からの前記ワイヤを、周囲条件を超える温度まで加熱するステップと、
前記ワイヤを前記溶射ガン内へと給送するステップと、
前記加熱されたワイヤを前記燃焼チャンバ内へと給送するステップとを含む方法。
【請求項２２】
周囲条件を超える前記温度が、前記加熱溶融可能材料の前記溶融点以下の温度である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記ワイヤが、前記燃焼チャンバに入る前に、誘導加熱、抵抗加熱、伝導加熱、及び輻射加熱のうちの１つ又は複数によって加熱される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記加熱ステップが、前記ワイヤを前記溶射ガン内へと給送する前記ステップの前に実施される第１の加熱ステップを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記第１の加熱ステップは、前記ワイヤを前記溶射ガン内へと給送する前記ステップが行われるときに前記最適の給送前温度が実現されるように、前記ワイヤ温度を上昇させる、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記ワイヤを前記溶射ガン内へと給送する前記ステップの後に、前記ワイヤを加熱する第２の加熱ステップを更に含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
前記第２の加熱ステップが、周囲条件を超える、前記加熱溶融可能材料の前記溶融点以下の温度まで前記ワイヤ温度を上昇させる、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記ワイヤを加熱する前記ステップが、前記ワイヤを前記溶射ガン内へと給送する前記ステップの後に行われる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２９】
周囲条件を超える前記温度が、前記加熱溶融可能材料の前記溶融点以下の温度である、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記加熱溶融可能材料が、主に銅、アルミニウム、スズ、又は亜鉛である、請求項２１に記載の方法。
【請求項３１】
ワイヤ燃焼溶射システムであって、
ガン本体と、
前記ガン本体に取り付けられたノズルと、
前記ノズルから延び、その中を通り燃焼チャンバを画成する通路を備える傾斜したガス・キャップと、
ワイヤ先端を受け取り、前記先端を軸方向に前記ノズル通路を通して燃焼チャンバ内へと給送するための、１つ又は複数のフィード・ローラと、
前記ワイヤの一部分が前記ノズル通路に入る前に、前記部分の温度を、周囲条件を超える温度に上昇させるための加熱装置とを備えるシステム。
【請求項３２】
周囲条件を超える前記温度が、前記ワイヤの前記溶融点以下の温度である、請求項３１に記載のシステム。
【請求項３３】
前記加熱装置が、誘導加熱装置、電流生成抵抗加熱、熱ガス源、及び輻射加熱装置のうちの１つ又は複数である、請求項３１に記載のシステム。
【請求項３４】
前記加熱装置は、前記ワイヤが前記フィード・ローラに接触する前に前記加熱装置を通過するように配置される、請求項３１に記載のシステム。
【請求項３５】
加熱装置は、前記加熱されたワイヤが前記フィード・ローラに到達するときに前記最適の給送前温度が実現されるように、前記ワイヤ温度を上昇させる、請求項３４に記載のシステム。
【請求項３６】
前記フィード・ローラの下流に配置される第２の加熱装置を更に備える、請求項３４に記載のシステム。
【請求項３７】
前記第２の加熱装置は、周囲条件を超える、前記ワイヤの前記溶融温度以下の温度に前記ワイヤ温度を上昇させる、請求項３６に記載のシステム。
【請求項３８】
前記ワイヤが前記フィード・ローラと接触した後に前記加熱装置を通過するように、前記加熱装置が配置される、請求項３１に記載のシステム。
【請求項３９】
前記加熱手段が、前記ワイヤの前記溶融点以下の温度まで前記ワイヤを加熱する、請求項３８に記載のシステム。
【請求項４０】
前記加熱装置によって加熱される前記ワイヤが、主に銅、アルミニウム、スズ、又は亜鉛である、請求項３１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
該当なし。
【０００２】
資金提供を受けた研究開発の記載
該当なし。
【０００３】
シーケンスリストの参照
該当なし。
【０００４】
本発明は、一般に、フレーム溶射方法及び装置の分野に関する。詳細には、本発明は、ワイヤ給送速度の上昇及び熱効率の向上を可能にするために、ワイヤを予熱することによって燃焼ワイヤ溶射プロセスの動作を改善する。
【背景技術】
【０００５】
燃焼ワイヤ溶射プロセスは、たとえば、構造及び構成要素両方の防食、並びに磨耗したシャフト及びその他の部品の再生など、様々な用途に使用される。このプロセスは、燃焼チャンバを通してワイヤ供給材料を給送することを伴う。従来のワイヤ・ガン構造では、ワイヤは通常、１対の給送ローラによって、制御された速度でガンを軸方向に通って給送される。給送ローラは、ワイヤを把持し回転して、燃焼チャンバを通してワイヤを押し出し、燃焼チャンバは、ガス・ヘッド・ノズル構成及びエア・キャップを備えることができる。ノズル構成は通常、ワイヤ通路を取り囲み燃焼可能ガス混合気がそこを通過し燃焼する、バーナ・ジェットのリング又はその他の加熱機構を備える。フレームの熱は、先端がエア・キャップ内へと通過するときワイヤ先端を加熱軟化させ、高速ブラスト・ガス流は、軟化された先端に向かって送られそこに衝突し、金属（又は他の加熱溶融可能材料）を粒子の形に霧化する。こうした溶融粒子は、ガンから基材へと推進されて被膜を形成する。
【０００６】
燃焼プロセスでは、ワイヤ材料を溶融点まで上げ、またワイヤの溶解に必要なエネルギーを供給するのに十分な熱が供給されなければならない。こうした物理的変化が生じる速さは、被膜適用の効率性の制限因子である。ワイヤ給送速度とフレーム設定は、ワイヤが連続的に溶解されて微粒子の噴射がもたらされるように、平衡を保たなければならない。エア・キャップにおける環状の圧縮空気流は、粒子を霧化し基材に向かって加速させる。ワイヤの直径及び材料組成などの変数は、ワイヤの加熱及び溶解の両方を実現するために必要とされるエネルギー量を決定する因子の一部である。これらの変数は通常、ワイヤ材料及び被膜要件によって予め決定される。しかし、燃焼チャンバに入る前のワイヤの周囲温度などその他のプロセス変数もまた、ワイヤを溶融粒子に転換するために必要とされるエネルギー量（及び速さ）に影響を及ぼすことがある。ワイヤを、燃焼チャンバに到達する前に加熱することができるとすれば、ワイヤ温度の上昇に対して、より多くのエネルギーをワイヤの溶解に利用することが可能になる。
【０００７】
プラズマ・ガンへの注入前に粉体を予熱することの利点が、以前から認識されてきた。ガンに送達される粉体の予熱は、プラズマ・プルーム内での粉体供給原料の溶解に必要とされるエネルギー量を低減させることによって、或いは、所与のプラズマ・プルームを用いて溶解することができる粉体供給原料の量を増大させることによって、効率性が向上する。
【０００８】
プラズマ・ガンへの注入前に粉体を予熱するための原理の応用は、燃焼ワイヤ溶射プロセスに直接移入することはできない。粒子と異なり、加熱されたワイヤは、ワイヤ給送機構（たとえばフィード・ローラ）が燃焼ガンを通ってワイヤを引くことが可能になるよう、十分な硬さを維持しなければならない。他の問題は、ワイヤが噴射ガンの燃焼チャンバから離れたある位置で予熱された場合に生じる、ワイヤからの熱損失である。銅又はアルミニウムなどの典型的なワイヤは、周囲への熱損失に理想的である。この熱損失によって、予熱プロセスの効率性及び燃焼プロセスの効率性が制限される。従って、上記制限を克服しながら効率性を向上させることができる燃焼ワイヤ溶射装置及びプロセスが、当技術分野で依然必要とされている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、本発明は、供給原料ワイヤを、溶射ガンの燃焼チャンバへと入る前に予熱することによって溶射プロセスを改善する装置及び方法を提供することにより、従来の溶射ガン装置の上記欠点に対処する。燃焼ワイヤ溶射プロセス用の給送ワイヤを予熱することによって、より高い給送速度及び高い動作効率により、燃焼ワイヤ・ガンの動作能力が改善される。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
一実施例では、本発明は、ワイヤ・フィーダ及び燃焼チャンバを備える溶射ガンを用いて被膜を生成する方法を提供する。この方法は、加熱溶融可能材料のワイヤを備えるワイヤ供給原料を提供するステップと、ワイヤ供給原料からのワイヤを、周囲条件を超える温度まで加熱するステップと、ワイヤ・フィーダを、溶射ガン内へとワイヤを給送するために使用するステップとを含む。この方法はまた、加熱溶融可能材料を含む噴射流がワイヤ先端から推進されるよう、ワイヤの先端が溶解及び霧化される位置まで、加熱されたワイヤを燃焼チャンバ内へと給送するステップと、最後に、噴射流を基材へと送りその上に被膜を生成するステップとを含む。
【００１１】
別の実施例では、本発明は、ワイヤ燃焼溶射ガンを提供する。このガンは、環状加熱フレームを生成するためのノズル手段と、加熱溶融可能材料のワイヤを、周囲条件を超える温度まで予熱するための加熱手段と、加熱フレームによってワイヤがワイヤ先端で溶解されるように、ワイヤをノズルから軸方向に加熱フレーム内で給送するための給送手段と、ワイヤ先端から溶解された材料を霧化し、霧化された材料を噴射流中で推進するための霧化手段とを含む。
【００１２】
本発明の別の実施例は、加熱されたワイヤ供給原料を溶射ガンの燃焼チャンバへと送達する方法を提供する。この方法は、加熱溶融可能材料のワイヤを備えるワイヤ供給原料を提供するステップと、ワイヤ供給原料からのワイヤを、周囲条件を超える温度まで加熱するステップと、ワイヤを溶射ガン内へと給送するためにワイヤ・フィーダを使用するステップとを含む。この方法は、最後に、加熱されたワイヤを燃焼チャンバ内へと給送するステップを含む。
【００１３】
本発明の更に別の実施例では、ワイヤ燃焼溶射ガン・システムが提供される。このシステムは、ガン本体と、ガン本体に取り付けられたノズルと、ノズルから延び、その中を通り燃焼チャンバを画成する通路を備える傾斜したガス・キャップと、ワイヤ先端を受け取り、先端を軸方向にノズル通路を通して燃焼チャンバ内へと給送するための、１つ又は複数のフィード・ローラと、ワイヤの一部分がノズル通路に入る前に、その部分の温度を、周囲条件を超える温度に上昇させるための加熱装置とを備える。
【００１４】
添付の図面は、本発明を更に理解するためのものであり、本明細書に組み込まれ、その一部を構成する。添付の図面は、本発明の実施例を示し、その説明と共に本発明の原理を説明する。
【実施例】
【００１５】
ここで、添付の図面にその例が図示される本発明の好ましい実施例を詳細に参照する。
【００１６】
図１を参照すると、本発明の一実施例によるワイヤ燃焼ガン・システムの概略図が示されている。本明細書で使用するように、「ワイヤ」という用語は、ワイヤ及びロッドの両方を示すために総称的に用いる。一般に、ワイヤ供給原料源１が設けられ、そこからワイヤ２が、加熱区間９を通過して溶射装置３内へと給送される。ワイヤ２は、銅、青銅、アルミニウム、スズ、亜鉛、鋼、又は、燃焼ワイヤ溶射装置による加工に適したその他いかなる材料とすることもできる。加熱区間９は、電源５、並びに、ワイヤが溶射装置３内に送られる前の２点でワイヤ２に接触する電気接点６及び７を備える、抵抗加熱装置として示されている。加熱区間９は、ワイヤ供給原料源１と溶射装置３の間の別個の装置とすることができ、又は、加熱区間９は、溶射装置３と一体とすることができる。電源５は、直流電源、又は、ワイヤを加熱するための、当業者に知られるその他いかなるエネルギー源とすることもできる。抵抗加熱は、最も効率の高い加熱を提供することができるが、誘導加熱、伝導加熱、輻射加熱、又は加熱方法の組合せもまた、加熱区間９内で用いることができる。
【００１７】
溶射装置３は、ワイヤ２を受け取り溶射装置３の燃焼チャンバ１０内へとワイヤを給送する、ワイヤ・フィーダ４を備える。（燃焼チャンバ１０は一般に、溶射装置のノズル内に収容されている。）ワイヤ・フィーダ４は、ワイヤ２を把持及び前進させるための、１つ又は複数のローラを備えることができる。ただし、ワイヤ材料の溶融点近くとなる可能性がある周囲温度を超える温度に、ワイヤ・フィーダ４が耐えることができる場合、当技術分野で知られる別の従来のワイヤ・フィーダを使用することもできる。様々なタイプのワイヤ・フィーダ及び様々なワイヤ材料は、ワイヤが機械的に給送することができなくなるところまで軟化することを防止する、動作温度の決定に影響を与える。
【００１８】
本発明による効率改善の一例として、１グラムの銅線の温度を典型的な室温から溶融点まで上げるために必要とされる熱エネルギーの量は、０．４１ｋＪ（０．３９Ｂｔｕ．）である。１グラムの銅線を溶融点で溶解するためのエネルギー量は、約０．２３ｋＪ（０．２２Ｂｔｕ．）である。従って、ワイヤ供給原料源をワイヤ溶融点まで上げることができる場合、銅線供給原料材料用の所与の燃焼パラメータで、更に１９８％多くのワイヤを溶解することができる。アルミニウム（１４５％）、モリブデン（２２７％）、スズ（７５％）、及び亜鉛（１５２％）を含めて、他のワイヤ供給原料材料でも同様の結果が得られる。
【００１９】
供給原料温度をいかなる感知可能な量上昇させることによっても、加工することができるワイヤの量が増大する。こうして、供給原料の温度を溶融温度未満まで上昇させることによって、有利な改善が実現される。ワイヤの加熱に使用されるエネルギー手段によって、溶融前の急燃焼フレーム中でのワイヤ加熱よりも効率的なエネルギー伝達機構がもたらされるので、予熱によって更なる効率性を実現することもできる。典型的な溶射動作における熱ガス流から固体又は液体材料への熱伝達は、通常３０％未満の効率であるが、抵抗又は誘導手段による直接的な加熱は、外部環境への熱損失が最小限に抑えられると仮定すると、たとえば１００％近くに到達することができる。
【００２０】
図１に示す構成における主要な動作効率因子は、ワイヤ・フィーダ４が溶射装置３を通してワイヤを引っ張ることが容易になるように、加熱されたワイヤ２が十分硬く保たれることを保証することである。溶融温度に到達する前に軟化する青銅又は銅などのワイヤ供給原料は、それらをどれだけ溶融温度に接近して予熱し、依然、溶射装置を通して機械的に給送することができるかにおいて制限される。場合によっては、これらのタイプのワイヤは、信頼性を備えながら機械的に給送するのに軟らかくなり過ぎないうちは、溶融温度の約半分までしか予熱することができない。
【００２１】
別の動作効率因子は、図１の構成のようにワイヤ２が溶射装置３から離れたある地点で予熱された場合に生じる、ワイヤ２からの熱損失である。銅などの材料の場合、こうした損失は顕著なものとなり、熱効率、及び影響を受けて到達される可能性があるワイヤの温度を限定する可能性がある。更に、ほとんどの燃焼ガンは、ワイヤの燃焼チャンバへの入口位置にて冷たい空気を使用する。この空気によって、ワイヤの更なる冷却、及びそれに続くワイヤ温度の低下が生じる。こうした損失は、加熱区間９を溶射装置３のハウジングと一体化することによって減少させることができる。この構成によって、加熱区間９が燃焼チャンバ１０により接近し、また更に、ハウジングの囲いが保温するので熱損失を低減させることができる。図２に示す実施例と関連付けて説明するように、ワイヤが駆動ローラを通過した後それを加熱することによって、更により高い効率性を達成することができる。図１の構成は、従来の溶射ガンに容易にレトロフィットすることができる。
【００２２】
図２は、本発明によるワイヤ燃焼ガン・システムの別の実施例を示す。通常、ワイヤ供給原料源１１が設けられ、そこからワイヤ１２が、加熱区間１９を通過して溶射装置１３内へと給送される。図１の実施例の場合と同様に、ワイヤ１２は、燃焼ワイヤ溶射装置による加工に適したいかなる材料とすることもできる。図２では、溶射装置１３は、ワイヤ１２を受け取り加熱区間１９を通して溶射装置１３の燃焼チャンバ２０内へとワイヤを給送する、ワイヤ給送機構１４を備える。燃焼チャンバ２０内の燃焼ガスの熱によって、ワイヤ１２の先端が軟化される。高速ブラスト・ガス流が、燃焼チャンバ２０のエア・キャップから、軟化された先端に当てて送られ、ワイヤ１２が溶融するときそれを霧化して粒子１８を形成する。噴霧粒子１８は、ブラスト・ガス流によって、ガンから基材上へと推進されて被膜を形成する。加熱区間１９は、電源１５と、ワイヤが溶射装置１３のワイヤ・フィーダ１４を通過して供給された後の２点でワイヤ２に接触する電気接点１６及び１７とを備える、抵抗加熱装置として示される。その他の加熱装置を、独立で又は組み合わせて、加熱区間１９内で使用することもできる。ワイヤ・フィーダ１４は、１つ又は複数のロール、或いはワイヤ１２を把持し前進させるための従来の別の手段を備えることができる。
【００２３】
図２の構成によって、ワイヤ１２をワイヤ材料の溶融温度まで加熱することが可能になる。この実施例では、予熱ワイヤ１２における熱損失は、いくつかの因子により最小限に抑えられる。第１に、熱源１９が燃焼チャンバ２０に非常に接近していることにより、ワイヤが冷却されなけばならない時間が減少する。第２に、燃焼チャンバからの輻射熱が限定的な冷却を助ける。第３に、溶射装置３のハウジングが、ワイヤ１２の、加熱区間１９の直後で移動する部分を含めて予熱領域内を保温する。
【００２４】
図３は、本発明の別の実施例を示す。この実施例では、ワイヤ供給原料源２１が設けられ、そこからワイヤ２２が、２つの別個の加熱区間を通過して溶射装置１３内へと給送される。第１の加熱区間９は、溶射装置の上流に、特にワイヤがワイヤ・フィーダ１４に接触するより前に配置される。第２の加熱区間１９は、ワイヤ・フィーダ１４の下流で、溶射装置１３の燃焼チャンバ２０より前に配置される。高速のブラスト・ガス流が、燃焼チャンバ２０のエア・キャップから、ワイヤ２２の軟化された先端に当たって送られ、ワイヤ２２を粒子２８の形で霧化する。噴霧粒子２８は、ガンから基材上へと推進されて被膜を形成する。図１の実施例の場合と同様、ワイヤ２２は、燃焼ワイヤ溶射装置による加工に適したいかなる材料とすることもできる。加熱源をワイヤ・フィーダ１４の上流及び下流の両方で使用することによって、ワイヤを、ワイヤがワイヤ・フィーダ１４を通過するのに十分な硬さとなる、溶融温度未満の温度まで予熱し、次いで燃焼チャンバに入る前に、より高い温度（ワイヤ溶融点又はその付近）まで予熱することが可能になる。加熱区間９及び１９は、同じタイプ又は異なるタイプのものとすることができる。
【００２５】
上記で議論したように、燃焼プロセスが生じる速さは、熱被覆の適用速度における制限因子である。同様に、ワイヤ温度の上昇率もまた、制限因子となり得る。図２の実施例では、予熱露出領域（これはたとえば、溶射装置のサイズによって規定される）及び給送速度は、所与の電源によって達成されるワイヤ予熱の程度に影響する。図３の実施例によって、加熱区間下流におけるエネルギー要求の低減が可能になる。
【００２６】
動作に関しては、本発明の図１の構成による装置を、以下のように使用する。溶射装置内での使用に適した、ワイヤ２のワイヤ供給原料源１を設ける。ワイヤ２をワイヤ・フィード源１から、その時点で動作していてもしていなくてもよい加熱区間９を通って給送し、溶射装置３のワイヤ・フィーダ４に結合させる。ワイヤ２をワイヤ・フィーダ４に取り付ける前にこの装置の加熱区間９が動作していない場合、溶射装置の初期給送速度は、予熱ワイヤ２の第１の区間が燃焼チャンバ１０に到達するまで、従来の燃焼噴射ガンの初期給送速度と同じである。予熱ワイヤ２が燃焼チャンバ１０に到達すると、ワイヤ２を、ガン３から基材へと霧化及び推進して被膜を形成する。この第１の予熱ワイヤ区間２は、それ以前の区間よりもワイヤ溶融点に近いので、霧化プロセスを完了し、以後のより速いワイヤ給送速度を可能にするために必要とされるエネルギーが、より小さくなる。給送速度の改善によって、ワイヤ２の後続区間における、ワイヤ２が燃焼チャンバ１０に到達する前の熱損失の量が低減されるにつれて、動作効率が向上し続ける。こうした向上は、動作全体を通して、ワイヤ給送プロセスにおける平衡が実現されるまで続く。
【００２７】
図１に示すような燃焼ワイヤ・ガン及び加熱装置を、実験室条件で試験した。ワイヤ供給原料材料は、以下のプロセス特性を備える銅であった。
銅線直径：  ０．３１８ｃｍ（１／８’’）
銅線密度：  ８．９６ｇ／ｃｃ
銅線溶融点：  １０８３℃
銅線比熱：  ０．０００３８５ｋＪ／ｇ℃（０．０００３６５Ｂｔｕ／ｇ℃）
銅線融解潜熱：  ０．２０６ｋＪ／ｇ（０．１９５Ｂｔｕ／ｇ）
燃焼熱、アセチレン：  ５４７３８ｋＪ／ｍ３（１４７０Ｂｔｕ／ｆｔ３）
【００２８】
第１に、銅をアセチレンで噴射するための典型的な燃焼ワイヤ・プロセス・パラメータを用いて、ワイヤを予熱せずにワイヤ供給原料を噴霧した。完全に溶融したワイヤがガン正面から出たとき実現されたワイヤの最高給送速度は、１５１ｇ／分であった。最高ワイヤ給送は、ガン正面から外に延びる非溶融ワイヤ先端の長さを観察することによって決定した。０．９５２ｃｍ（０．３７５インチ）の非溶融先端を、最高ワイヤ速度とみなした。ガンは、銅のための標準アセチレン噴射パラメータを用いて、６９７５８ｋＪ／時（６６１５０Ｂｔｕ／時）を生み出した。
【００２９】
次に、ワイヤが燃焼ワイヤ・ガンに入る前の時点で測定した５６６℃の推定温度（銅の溶融点の約半分）に加熱されたワイヤを用いて、上記試験と同じ条件を繰り返した。ワイヤがガン正面から出たとき同じ０．９５２ｃｍ（０．３７５インチ）延びる非溶融ワイヤ先端で実現されたワイヤの最高給送速度は、１９０ｇ／分であった。結果的に、ガス・フローを全く増大させず、又はガン・パラメータを全く変化させずに、ワイヤ給送速度が２６％上昇した。ワイヤを加熱するために利用されたエネルギー量は、１３４６４ｋＪ／時（１２７６８Ｂｔｕ／時）であった。第１の試験によると、１５１ｇ／分の噴射に６９７５８ｋＪ／時（６６１５０Ｂｔｕ／時）が必要とされ、第２の試験によると、１９０ｇ／分の噴射に８３２２２ｋＪ／時（７８９１８Ｂｔｕ／時）が必要とされた。すなわち、プロセス全体で動作効率が５％上昇した。
【００３０】
図４は、ワイヤ・フィーダ及び燃焼チャンバを備える溶射ガンを用いて被膜を生成する、方法１００の流れ図である。方法は、ステップ１０１で開始され、ここで、銅、青銅、アルミニウム、スズ、亜鉛、又は、燃焼ワイヤ溶射装置による加工に適したその他何らかの材料など加熱溶融可能な材料の、ワイヤ供給原料を提供する。次に、ステップ１０２に進み、ワイヤ供給原料を、周囲条件を超える温度に加熱する。たとえば、ステップ１０２では、ワイヤが溶射装置のワイヤ・フィーダを依然通過することができるワイヤ材料の溶融温度に近い温度（すなわち最適な給送前温度）に、ワイヤを加熱することができる。ただし、周囲条件を超えるいかなる温度にワイヤを加熱することも、溶射プロセスの動作効率を向上させる。ステップ１０３で、溶射装置のワイヤ・フィーダを予熱されたワイヤに係合させる。ステップ１０２とステップ１０３の間の時間に応じて、ステップ１０２でワイヤがそこまで加熱される温度は実際に、冷却されるワイヤをステップ１０３の時点で最適な給送前温度に近づけることができるように、最適な給送前温度を超える。ステップ１０４では、加熱融解可能材料を含む噴霧流がワイヤ先端から推進されるよう、材料が溶解され霧化される位置にワイヤ先端が形成されるところまで、溶射装置のワイヤ・フィーダを使用してワイヤ供給原料を燃焼チャンバ内へと給送する。最終ステップ１０５は、噴射流を基材へと送りその上に被膜を生成することを含むことができる。
【００３１】
図５は、ワイヤ・フィーダ及び燃焼チャンバを備える加熱装置を用いて被膜を生成する方法２００の別の実施例を示す流れ図である。上記方法と同様、この方法は、ステップ２０１で開始され、そこで、加熱融解可能材料のワイヤ供給原料を供給する。次にステップ２０２に進み、溶射ガンのワイヤ・フィーダを、ワイヤに係合させる。ステップ２０３で、ワイヤ供給原料を、周囲状態を超える温度に加熱する。たとえば、ステップ２０３でワイヤを、ワイヤ材料の溶融温度に可能な限り近く加熱することができる。ただし、周囲状態を超えるいかなる温度にワイヤを加熱することも、溶射プロセスの動作効率を向上させる。ステップ２０４で、溶射ガンのワイヤ・フィーダは、加熱溶融可能材料を含む噴射流がワイヤ先端から推進されるよう、材料が溶解され霧化される位置にワイヤ先端が形成されるところまで、予熱されたワイヤ供給原料を燃焼チャンバ内へと押し込む。最終ステップ２０５は、噴射流を基材に向かって送り、その上に被膜を生成することを含むことができる。
【００３２】
本発明の一実施例では、図４及び図５で説明した方法は、これら上記方法両方の効率性を実現するために、組み合わせて単一の方法とすることができる。この組み合わせた方法では、ワイヤ供給原料源が提供され、そこからワイヤが、２つの別個の加熱区間を通過して溶射装置内へと給送される。溶射ガンのワイヤ・フィーダに到達する前に、ワイヤは、周囲状態を超える温度、好ましくは最適な給送前温度に加熱される。ワイヤ・フィーダを通過した後、ワイヤ供給原料は、好ましくはワイヤ材料の溶融温度まで再び加熱される。
【００３３】
本発明の例示的な実施例を本明細書で図示及び説明してきたが、そのような実施例は例として提供されたに過ぎないことが当業者には明らかであろう。本出願人が本明細書で開示した、本発明の範囲から逸脱しない数多くの想像上の変形、変更、及び代替物が、当業者には明らかであろう。従って本発明は、添付の特許請求の範囲によって可能となるその精神及び範囲によってのみ限定されることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施例による、予熱装置を備えるワイヤ燃焼ガンを示す図である。
【図２】本発明の別の実施例による、予熱装置を備えるワイヤ燃焼ガンを示す図である。
【図３】本発明の別の実施例による、２つの予熱装置を備えるワイヤ燃焼ガンを示す図である。
【図４】本発明の一実施例による、予熱されたワイヤを使用するワイヤ燃焼ガンを用いて被膜を適用する方法のプロセス流れ図である。
【図５】本発明の別の実施例による、予熱されたワイヤを使用するワイヤ燃焼ガンを用いて被膜を適用する方法のプロセス流れ図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  ワイヤ供給原料
２  ワイヤ
３  溶射装置
４  ワイヤ・フィーダ
５  電源
６  電気接点
７  電気接点
８  噴霧粒子
９  加熱区間
１０  燃焼チャンバ
１１  ワイヤ供給原料
１２  ワイヤ
１３  溶射装置
１４  ワイヤ・フィーダ
１５  電源
１６  電気接点
１７  電気接点
１８  噴霧粒子
１９  加熱区間
２０  燃焼チャンバ
２１  ワイヤ供給原料
２８  噴霧粒子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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