JPH0642990B2 - 磁気駆動によるプラズマアーク加熱あるいは表面処理方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えば金属板の熱処理や表面改質を効率よく
行うためのプラズマアーク処理の方法に関するものであ
る。

〔従来技術〕

プラズマアークあるいはアークは（以下単にアークと呼
ぶ）、アーク電流が作る磁場とアーク電流自身との電磁
気的相互作用によるピンチ力のため、あるいはガス流に
よる周囲冷却効果での熱的ピンチと呼ばれる作用のた
め、アークが収縮し、エネルギー密度が高い状態にあ
る。このピンチされた高エネルギー密度状態は、狭い領
域を高速で加熱したり、溶解したりする目的に適してお
り、従来より、溶接や切断に広く利用されている。また
高温プラズマ状態は化学的にガスが活性になっているこ
ともよく知られており、狭い領域の表面の反応処理にも
用いられてきた。

しかしながら、場合によっては、広い幅にわたり、加熱
や溶解あるいは表面処理をせねばならないことがある。
絞られたアークはこのような目的には適さず、アーク形
状を磁界で制御して広幅化する方法が考えられている。
アーク形状の制御方法として二つの方法がある。第一
は、例えばカスプ型のような定常磁界を印加し、アーク
を磁力線にそって広がるようにしてやる方法である。こ
の方法は強力な磁界を必要とするため、現実にはあまり
採用されてはいない。第二の方法は、アークに交番磁界
を直交するよう印加してアークに作用する電磁力で、ア
ークを往復運動するよう揺動させて、実効的に広幅化し
たのと同じようにしてやる方法である。このような揺動
アークを発生させるための方法は、特公昭58-047273号
公報に記載されている。第二のこの方法に於いては、交
番磁界を発生するために、励磁コイルに流す電流とし
て、もっぱら商用周波数である50Hzないしは60Hzの正弦
波が利用されてきた。加熱雰囲気としては一気圧中で実
施されてきた。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の商用周波数で時間的に正弦波変化をする励磁電流
を用いるアーク揺動方法においては、被処理材料がアー
ク揺動運動の一周期の時間内に、アークの太さ以上の距
離を移動しないならば、揺動振幅内にある材料表面の全
領域を隈なく加熱することができる。しかしながら、ア
ークの太さ以上の距離を被処理材料がアーク揺動運動の
一周期の時間内に移動するならば、被処理材料表面上に
アーク点は正弦波状の軌跡を残し、この軌跡上のみが主
に加熱され、アークの揺動振幅全幅を隙間なく加熱する
ことにはならず、加熱が不均一になるという問題があ
る。さらに、揺動アークにより広幅に加熱するにして
も、幅方向の入熱分布の制御が重要になる場合がある
が、正弦波変化の励磁電流では、処理材料の温度分布制
御が十分でないというもう一つの問題がある。被加熱材
料を電極としてこの材料表面上を電磁力の作用でアーク
点を揺動させる場合、これを常圧中で行うと、アーク点
の動きが必ずしもなめらかには行かず、短時間ではある
が、アーク点が被加熱材料表面上の或る一点に固定され
ることがある。この様な不連続なアーク点の揺動挙動は
材料表面上に小さな溶融痕を残すことになり、表面欠陥
に結び付いていた。これが従来法の第三の問題点であ
る。

上記のような重大な問題点があるため、磁気駆動による
揺動アークは、エネルギー密度の高く、広幅にできる特
徴ある熱源であるにもかかわらず、広く一般に利用され
るところとはなっていない。本発明は、上記問題点を解
決するためのものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、磁気駆動により揺動するプラズマアークを用
いて加熱あるいは表面処理を行う方法において、揺動周
波数の制御、揺動波形の制御または加熱雰囲気の圧力を
制御することの、単独あるいは何れか二つまたはすべて
組み合わせて行うことを特徴とするプラズマアーク加熱
あるいは表面処理方法に関するものである。

揺動周波数および揺動波形の変化は励磁コイルに接続さ
れる電流の周波数および電流波形を変えることにより行
う。加熱あるいは表面処理雰囲気の圧力は排気装置を備
えた容器内で行うことにより制御する。

本発明は、加熱、溶解あるいは反応をともなう表面処理
方法に関するものであるが、特に説明の必要なところ以
外は、主に加熱処理を例にとり、以下説明する。したが
って加熱のみ述べてあってもその意味するところは、溶
解あるいは反応を伴う表面処理をも含んでいる。

〔作用〕

本発明において、揺動周波数を制御するのはアークに対
し高速で相対移動する被処理材料が、隈なく加熱される
ために行うものである。プラズマアークの直径をＤcmと
し、アークの揺動周波数をHzとし、加熱しようとする
被処理材料がアークの揺動面に垂直に相対速度Ｖcm/sec
で移動する場合、移動速度が大きく揺動周波数が小さい
と、アーク揺動幅全体を加熱できない。揺動幅全体にわ
たり隈なく加熱するためには、少なくとも、被処理材料
がアーク揺動面に垂直な方向にＤcm動いたときにアーク
が一周期振動運動を終えていなければならない。隈なく
加熱されるため、揺動周期が満足せねばならない条件
は、アーク太さと被処理材料の相対移動速度により決ま
り、次式で与えらえる。

＞Ｖ／Ｄ （１） 通常、プラズマアークの直径Ｄは、１cm程度であるの
で、相対速度Ｖが通常実用的な100cm/secより大きな速
度の場合には、従来のように商用の周波数でアークを揺
動させたのでは、未加熱の部分が生じてしまう。処理速
度が大きい場合は、速度に応じて、（１）式を満足させ
るように商用周波数より高い高周波好ましくは100Hz以
上の周波数を採用することにより、揺動幅全体にわたり
隙間なく加熱処理ができる。

また、本発明において、揺動波形を制御するのは被処理
材料への揺動幅方向の入熱分布を制御するために行うも
のである。被処理材料を加熱あるいは溶解する場合、加
熱の均一性やあるいは目的にあった温度分布が問題とさ
れることが多い。この目的の達成は、揺動周波数および
振幅の制御だけではできない。処理材料の表面の温度分
布は、入熱分布により決定され、入熱量はアークのエネ
ルギー密度とアークの滞在時間の積で決まる。したがっ
て幅方向の入熱分布を制御するためには、アーク電流を
時間的に適当に制御するか、あるいは、アークの揺動速
度を幅方向の位置により変えてやればよい。

また、本発明はアークの揺動速度の制御をアークを揺動
させるための励磁電流の波形を変化させることによって
行う。例えば、入熱分布を一様にするためには、励磁電
流を従来の正弦波より三角波に近づけてやればよい。振
幅両端での熱損が多く、両端での入熱を大きくして、均
一な温度分布が得にくい場合は、正弦波の上下を切り取
り平らにしたような電流波形で励磁してやればよい。

本発明において雰囲気内の圧力を制御するのは、揺動ア
ークにより加熱処理をした場合、被処理材料表面の組成
変化あるいは表面疵等の発生を防ぐために行うのであ
る。加熱効率を高めるためには、被処理材料をアークの
一方の電極として用いることが多い。一気圧中でアーク
の揺動をさせると、変動磁界をかけていても、短時間な
がら、アーク点が一点に留まり、アーク点の移動が滑ら
かにいかないことがある。この現象が起こると、表面に
小さな局所的な溶融点が出来、表面疵の原因となる。こ
の表面疵の発生は、揺動アーク処理を減圧雰囲気でする
ことにより防止できることが実験の結果判明した。局所
的な溶融点の発生は雰囲気を減圧にするに従い減少す
る。実質的に溶融痕発生が無視できるようにするために
は、300Torr以下の圧力に処理雰囲気を保つことが望ま
しい。減圧雰囲気にすることにより、表面酸化が防止で
きること、雰囲気組成を制御して特殊反応、例えば、還
元反応とか、窒化反応とか、浸炭反応とかを同時に行な
わせることもできる。

〔実施例〕

本発明の実施例を、図面を参照して説明する。第１図
は、本発明法実施のために用いた実験装置概念図であ
る。プラズマアーク６および７はプラズマトーチ１と、
陽極でもある被加熱処理金属体２との間に発生させる。
プラズマトーチ１と被加熱処理金属体２は直流プラズマ
電源３に接続されている。プラズマアーク６および７に
作用する交番磁界を発生するための励磁コイル４がプラ
ズマアーク６および７を挟んで設置され、これに周波数
可変かつ波形形状が変化できる電流電源５が接続されて
いて、プラズマアーク６および７に直交する成分を持つ
磁界を発生できる。交番磁界が励磁され、アークに作用
すると、アークは変形する。磁界の方向により変形の仕
方が反対になるので、磁界強度の時間変化に応じて、ア
ークは６と７との間を揺動する。被加熱処理金属体２は
速度可変の駆動装置８により前後に移動することができ
る。プラズマトーチ１、励磁コイル４および被加熱処理
金属体２は、雰囲気制御用の容器９内に収められ、雰囲
気制御用容器９は真空排気装置10に、プラズマトーチ１
は各種ガスボンベ11にそれぞれ接続されている。

第１表は、プラズマアークの揺動周波数と被加熱処理金
属体の表面加熱面積割合との関係を示す実施例である。
被加熱処理金属体としてステンレス鋼板を用い、プラズ
マアークの揺動面に対して直角にステンレス鋼板を１ｍ
／secの速度で移動させている。プラズマアークの揺動
周波数は、励磁電源から供給される電流周波数を変化さ
せ、従来から利用されている商用50Hzの場合と、200Hz
の高周波の場合とで比較した。周波数変化の効果は、加
熱処理後、鋼板表面を観測し、熱影響部と熱影響を受け
てない部分との面積割合でみている。50Hz揺動の場合は
約50％の熱影響を受けない領域が観測されるのに対し、
200Hz揺動の場合には、ほぼ100％熱影響部が現れる。こ
のことより、揺動幅全面にわたり隈なく表面加熱を行わ
せるためには、被加熱処理金属体の移動速度に応じた揺
動周波数を選択せねばならず、特に高速移動の場合は高
い周波数で揺動することが必要であることが確認され
た。

第２図は、プラズマアーク揺動のための励磁電流の電流
波形を変化させた場合の効果について示したものであ
る。ステンレス鋼厚板を0.5ｍ／minで移動させながら揺
動プラズマアーク照射加熱を行わせ表面を薄く溶融させ
ている。加熱溶融処理後、板を切断し組織を観察して照
射時の溶融状態を推定した。第２図（ａ）は商用周波数
で正弦波波形の励磁電流で揺動させた場合の表面再溶融
凝固形状、第２図（ｂ）は、正弦波の上下をスライスし
た波形の励磁電流で揺動させた場合の表面再溶融凝固形
状を示す。このような励磁電流によるアーク揺動によ
り、アークは振動振幅両端位置での滞在時間が長くな
り、両端部への入熱量が増大し、その結果、端部の熱損
の大きさを補い、端部まで均一な溶け込み深さになる。
この結果より、励磁電流の波形を変えることにより、入
熱分布あるいは表面温度分布等が制御出来ることが確認
された。

揺動周波数、揺動のための励磁電流を最適化したとして
も加熱を１気圧中で行うと、非加熱体表面に表面欠陥が
生じる。この欠陥は雰囲気圧力を低下させることによ
り、発生を防止できる。この実施例を以下に示す。非加
熱処理金属体としてステンレス鋼板を用いこれを揺動ア
ークの陽極とし、揺動アーク面に直角の方向に0.5ｍ／s
ecの速度で移動させ、雰囲気圧力を変化して表面性状を
観察した。アルゴン１気圧中では加熱処理後のステンレ
ス鋼板表面には直径１mm程度の小さな溶融痕が散見され
た。一方200Torrのアルゴン雰囲気中での加熱処理を行
った場合は表面に溶融痕が観察されなかった。このこと
より減圧による表面欠陥発生の抑止効果が確認された。

本発明の実施例としては、いずれも被加熱処理体を金属
とし、これを陽極電極として動作させている。しかしな
がらこれを非移行型プラズマジェットの発生に応用する
ことも出来る。

〔発明の効果〕

上記の方法に基づく、揺動プラズマアークによる加熱あ
るいは表面処理方法によれば、揺動プラズマアークに対
し相対速度を持って移動する被加熱処理金属体の表面を
揺動振幅全体にわたり、隈なくかつ任意に入熱分布を与
えながら処理できるようになり、加熱あるいは表面処理
の厳密な制御が可能になる。このため非常に空間的に均
質度の高い加熱処理や表面処理が可能になり、処理材料
の信頼性の大幅な向上、処理後の検査工程の簡略化がで
きるなど、その効果は甚だ大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明実施装置の一例を示す部分断面概念
図、第２図は、従来法と本発明法の励磁電流波形と溶融
再凝固部の形状を示し、同図（ａ）は、従来の正弦波形
の励磁電流により揺動した時に得られる溶融再凝固部の
形状であり、同図（ｂ）は本発明の正弦波形の上下部を
スライスした励磁電流により揺動した場合の溶融再凝固
部の形状を示す。 １……プラズマトーチ、２……被加熱処理金属体、 ３……直流プラズマ電源、４……励磁コイル、 ５……励磁電流電源、 ６および７……磁界により変形されたプラズマアーク、 ８……被加熱処理金属体移動装置、 ９……雰囲気制御用容器、10……真空排気装置、 11……ガスボンベ、 12……正弦波波形励磁電流、 13……制御された励磁電流波形、 14……従来法溶融再凝固部、 15……本発明法溶融再凝固部。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】交番外部磁界を作用させて、揺動運動する
   アークを用いる加熱あるいは表面処理方法において、30
   0Torr以下の減圧した雰囲気内で処理を行うことを特徴
   とするプラズマアーク加熱あるいは表面処理方法。
2. 【請求項２】励磁電流波形を変化させることにより、入
   熱及び反応分布の制御を行うことを特徴とする請求項１
   に記載のプラズマアーク加熱あるいは表面処理方法。
3. 【請求項３】プラズマアークの直径をＤcmとし、被処理
   材料のアーク揺動面に垂直の相対速度をＶ／secとする
   とき、励磁電流周波数HzをＶ／Ｄより高い周波数の電
   流を用い交番磁界によりアークを揺動運動させることを
   特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載のプラズマ
   アーク加熱あるいは表面処理方法。