JPH01262077A - チタンまたはチタン合金の肉盛溶接方法 - Google Patents

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〕 本発明はチタンまたはチタン合金の表面に肉盛溶接を施
す肉盛溶接方法に関するものである。

〔従来の技術〕

自動車等の吸気・排気エンジンバルブのフェース面は肉
盛処理を施すことにより、高温雰囲気下での耐摩耗性を
向上させることが必要とされている。このため、従来か
ら耐熱鋼素材、例えば、ＪＩＳ　Ｇ　４３１１規定によ
るマルテンサイト系耐熱鋼５Ｕ１１３等をエンジンバル
ブ素材として、用い、そのフェース面上にＣｏ基超超耐
熱合金肉盛溶接している。

Ｃｏ基超超耐熱合金高い硬度を有し、耐熱性にも優れて
いることからエンジンバルブ・フェース面への肉盛材と
してよく用いられている。

最近、エンジンの応答性の改善、低燃費化を目的として
、バルブ素材の軽量化が図られ、従来の耐熱鋼に代えて
、チタン合金の使用が検討されている。しかし、このチ
タン合金は耐熱性、耐食性に優れているが、耐摩耗性が
劣っているため、エンジンバルブ素材に用いる場合、硬
化肉盛処理が必要である。

チタン・チタン合金材料の他の用途として、最近、陸上
で簡易に油井等の掘さくを行うに際して、掘さく材料の
軽量化を図るためにドリルパイプおよびそのカップリン
グに鋼に代えてチタン合金を使用する例が見られる。

上記チタン合金のトリルパイプ、ツールジヨイントとし
ては一般にＴｉ　−６Ａｊ！　−４Ｖ　（Ｔｉ　に６％
Ａβ、４％■を含む合金）系のチタン合金等が使用され
ているが、この合金は鋼に比べて耐摩耗性が劣っており
、その耐用寿命が極めて短いなどの問題があるため、そ
の表面に硬化肉盛処理が必要である。

従来、かかる素材の硬化肉盛溶接方法として、特開昭６
１−２３５７４号公報に記載されているように、チタン
基合金材料からなるエンジンバルブフェース面にチタン
と金属炭化物とから構成される混合粉末を用いた、プラ
ズマアーク肉盛溶接方法が提案されている。

この提案では、プラズマアーク肉盛溶接方法として、常
用されている正極性プラズマアーク肉盛溶接法が用いら
れている。正極性プラズマアーク肉盛溶接法は、逆極性
プラズマアーク溶接法に比べれば、母材の希釈が大きい
ことはよく知られているところであるが、チタンまたは
チタン合金に従来のＣＯ基超超耐熱合金肉盛材料とした
硬化肉盛溶接を行うと、母材と肉盛溶接金属との接合界
面に金属間化合物が生成し、脆い接合部を形成する。そ
して、母材への希釈が大きくなるに従い、その脆い、化
合物相の生成幅が大きくなり、実用上、問題がある。そ
して、チタンあるいはチタン合金等のように母材表面に
溶融温度の高い酸化膜を形成する１、＋料の溶接に清浄
効果のない正極性プラズマアーク溶接法を適用すると、
接合界面に介在物が形成され、健全な接合部が得られな
いなどの問題がある。

また、特開昭５９−７８７７４号公報には、チタンまた
はチタン合金の表面に、純チタン粉末に炭化金属の硬化
粒を含有した硬化剤をＴ　Ｉ　Ｇ溶接方法またはプラズ
マアーク溶接で肉盛する溶接方法が提案されている。

上記提案でのプラズマアーク肉盛溶接方法として、逆極
性ソフトプラスマアーク熔接法が用いられている。逆極
性ソフトプラズマ溶接方法は、母材の希釈が小さく、母
＋４の酸化膜を除去する清浄効果があることが知られて
いる。特に、チタンあるいはチタン合金のように活性な
金属、合金等では、母材表面が溶融温度の高い酸化膜で
覆われている材料に肉盛溶接する場合、特にこの肉盛溶
接方法は有効である。しかし、母材を陰極、電極を陽極
とした逆極性接続では母材から発生した電子が絶えず、
電極に衝突し、電極が加熱され損傷されるため、正極性
プラズマアーク溶接法において用いられるＷ電極に代え
て、一般に大径の水冷の銅電極が用いられる。そのため
、逆極性プラズマアーク溶接Ｉ・−チは、正極性プラズ
マアーク溶接トーチにより大型化となり、エンジンバル
ブフェース面のような小物の肉盛溶接には不適であり、
溶接操作性に問題がある。

また、逆極性プラズマアーク溶接法および正極性プラズ
マアーク溶接法とも使用電流に直流を用いるので、磁気
吹きの影響を受けるため、良好なビード形状が得られ難
いなどの問題がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明はチタンまたはチタン合金の表面に形成される強
固で溶融温度の高い酸化膜を除去し、母材への希釈が小
さく接合部界面に脆い化合物相の生成がなく、さらに磁
気吹きの影響がなく、良好なビード形状が得られるプラ
ズマアーク肉盛溶接方法の提供を目的とするものである
。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために、本発明に係るチタンある
いはチタン合金のプラズマアーク肉盛溶接方法は、チタ
ンまたはチタン合金の表面の肉盛溶接方法において、交
流プラズマアーク肉盛溶接方法を用い、電圧波形の正極
成分時間をｔ８とし、負極成分時間をも、とした場合、
下式を満足する時間比率で肉盛溶接することを特徴とす
るものである。

ｔ　＋ 〔作　用〕 エンジンバルブ素材や掘さく材料を構成するチタン材料
としては、チタンもしくはチタン合金が用いられ得るも
のであるが、一般にはチタン合金材料が好適である。チ
タン合金材料としては、代表的なＴｉ　−６Ａ７！−４
Ｖ合金（６％のＡβおよび４％の■を含有するＴｉ合金
）をはじめＴｉ　−６ＡＩ２−２Ｓｎ　−４Ｚｒ−２Ｍ
ｏ合金（６％のＡＩ！、２％のＳｎ、４％のＺｒおよび
２％のＭ。

を含有するＴｉ合金）およびＦｉ　−５Ａｎ　−２，５
Ｓｎ合金（５％の、ｌおよび２．５％のＳｎを含有する
Ｔｉ合金）などがエンジンバルブ素材および掘さく材料
として適切である。

肉盛用粉末材料として用いられる、ＣＯ基超超耐熱合金
しては、ステライト合金（商品名）がある。代表的な呼
称と主な成分はステライト歯１（３０％Ｃｒ　−２，５
％Ｃ−１％Ｓｉ　　　１％Ｍｎ　−１％Ｍｏ　−３％Ｆ
ｅ　−３％Ｎｉ　　１２．５％Ｗ−Ｂａ１−Ｃｏ）、ス
テライトｍ、６（２８％Ｃｒ　　　１．１％Ｃ−１％Ｓ
ｉ　−１％Ｍｎ　−１％Ｍｏ　−３％Ｆｅ　−３％Ｎｉ
−４％Ｗ−Ｂａ１・ＣＯ）、ステライ１４１．１２　（
２９％Ｃｒ　　−１，４％Ｃ−１，４％Ｓｉ　　〜１％
Ｍｎ　　−１％Ｍｏ　　−３％Ｆｅ　　−３％Ｎｉ　　
−８％Ｗ　−Ｂａｌ　・Ｃｏ）などである。

本発明者らは、チタンもしくはチタン合金に上記Ｃｏ基
超超耐熱合金肉盛した時に生ずる接合部の劣化は、母材
表面に形成された酸化物による接合界面の介在物の生成
および母材希釈の増大による接合界面の化合物相の生成
によるものと考え、プラズマアーク溶接法において、劣
化を抑制しうる種々の溶接電源特性について検討した。

その結果、上記接合部の劣化の抑制には、逆極性プラズ
マアーク溶接法（母材を陰極、電極を陽極とした接続）
および正極性時と負極性時の時間比率が所定範囲にある
交流プラズマアーク溶接法が有効であるとの知見を得た
。

しかし、逆極性プラズマアーク溶接法は、前述したよう
にブラスマ溶接１・−チの大型化および直流電流による
磁気吹きのため、ヒート形状および溶接操作性が悪く、
チタンまたはチタン合金の肉盛溶接方法としては十分で
はない。

本発明の交流プラズマアーク溶接法における、正極性と
逆極性成分の時間比率が母材表面に形成された酸化膜を
除去する清浄効果と母材の希釈率とに密接な関係がある
ことを見いだした。両者の関係において逆極性成分は母
材に生成された酸化膜を清浄にし、正極成分は母材の希
釈を大きくするが、電極の冷却を確保する。したがって
、第２図の如く、電極印加電圧の正極性成分時間（ｔ８
）と逆極性成分時間（１ｂ）の比率を所定範囲に設定す
ることにより、電極の損傷を防止し、母材の希釈を抑制
し、適正な清浄効果域幅を確保できる。

第３図に本発明に係わる交流プラズマアーク肉盛溶接に
おける、正極性成分と逆極性成分の時間比率と清浄効果
域幅および希釈率との関係を示すグラフを提示する。

正極性成分時間比率が６０％未満では、電極の発熱量は
逆極性成分時に母材から発生した電子が電極に衝突し、
電極の発熱量が急激に大きくなるため、電極が損傷し、
健全な溶接ができなくなる。

また、正極性成分時間比率が上限９０％を超えると、急
激に母材への希釈率が増大するとともに、清浄効果も認
められなくなり、その接合部界面に介在物および化合物
相が生成し、接合性が劣化する。

上記理由により、電極損傷を防止し、所定の母材の希釈
率に抑制し、清浄効果域幅を得るには、電極に印加され
る両極性成分時間（ｔａ＋ｔｔｂ）Ｌ、ｌ十ｔｂ は６０％以上、９０％以下の範囲が適当である。

以下に本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。

〔実施例〕

次に本発明の肉盛溶接方法を第１図に基づいて説明する
。

第１図は、交流電源を用いて、チタン合金板の表面に粉
体肉盛材料を肉盛溶接するのに適した交流プラズマアー
ク溶接装置の一例を示す説明図である。

第１図において、（１）はプラズマアークトーチの先端
部を示し、かかるプラズマアークトーチ（１）には、中
心部にタングステン電極（２）を配備してあり、この電
極（２）の外側には、トーチ内筒（３ａ）および１・−
チ外筒（３ｂ）がそれぞれ配設されている。そして、タ
ングステン電極（２）と１〜−チ内筒（３ａ）との間に
プラズマガス通路（１３）　、およびトーチ内筒（３ａ
）とトーチ外筒（３ｂ）との間にシールドガス通路（１
４）および粉体肉盛材料（９）を供給する粉体供給パイ
プ（４）が配設されている。通路（１３）はアルゴンガ
スなどの不活性ガスがプラズマガスとして供給されるよ
うになっている。シールドガス通路（１４）は、アルゴ
ンガスなどの不活性ガスが供給されるようになっており
、溶接部を大気からシールドするようになっている。

以上のように構成されたプラズマアークトーチ（１）の
下方には、肉盛溶接を施すべきチタン合金板（１１）が
設置されている。そして、プラズマアーク（１０）の中
に、粉体肉盛材料（９）が粉体送給パイプ（４）を通し
て、アルゴンガスなどの不活性ガスを供給ガスとして供
給され、チタン合金板（１１）の表面上に順次肉盛金属
（１２）が形成される。

なお、タングステン電極（２）とトーチ内筒（３ａ）と
の間には、パイロット電源（５）から所定のパイロット
電流が供給されるようになっている。また、タングステ
ン電極（２）とチタン合金板（１１）との間には、正極
性と逆極性の時間比率を任意に調整できる正極逆極性時
間比率調整装置（８）を取付けたメイン交流電源（６）
から、所定の溶接電流が供給できるようになっている。

更に、タングステン電極（２）とトーチ内筒（３ａ）の
間にはプラズマアーク点火用の高周波発生器（７）が配
設されている。

次に、本発明に基づく効果を確認するため、第２表に示
したチタンおよびチタン合金板に第３表に示した粉体肉
盛材料を組合せ、第１図に示した、本発明の一実施態様
の交流プラズマアーク肉盛溶接装置を用いて、下記溶接
条件で肉盛溶接を実施した。その肉盛部における接合性
およびビード形状を調べた結果を第１表に示す。

（１）溶接条件；溶接電流　６０Ａ 溶接速度　５００ｍｍ　／ｍｉｎ プラズマガス流量（Ａｒ）　］、　５　ｊ！　／ｍｉｎ
シールドガス流量（Ａｒ）　２０　ｊ２　／ｍｉｎ粉体
キャリアガス流量（Ａｒ）　２７！／ｍｉｎ第１表にお
ける試験Ｎｏ、　１〜６は前記第１図に示す交流プラズ
マアーク肉盛溶接装置を用いて、肉盛溶接を行ったもの
であるが、陽７，８は常用される正極性プラズマアーク
溶接法で、ＮＯ，９，１０は逆極性プラズマアーク溶接
法で比較のため、肉盛溶接を行ったものである。

南１〜４は本発明の要件を満たし、肉盛部の接合界面に
は、介在物および化合物相が認められず、良好な接合性
、ビード形状の肉盛金属が得られた。

また、電極の損傷もなく、安定した溶接が行なえたこと
は勿論である。

陥５，６は交流プラズマアーク溶接法で行なったもので
あるが、正極性成分時間比率：ｔ　＋ 例である。階５は正極性成分時間比率が下限より低く、
電極の損傷が激しく、溶接途中でアークが不安定となり
、中止した。Ｎｏ、　６は正極性成分時間比率が上限を
超えており、清浄効果もなく、母材の希釈も大きくなり
、接合部界面に介在物、化合物相が生成し、割れが認め
られた。

隘７および階８の場合は、比較のため正極性プラズマア
ーク溶接法によるものであるが、いずれも満足な接合性
およびビード形状が得られなかった。

階９および階１０の場合ば、逆極性プラズマアーク溶接
法によるものであるが、接合性は良好であるが満足でき
るビード形状が得られなかった。

第２表 第３表 〔発明の効果〕 以上の実施例からも明らかなように本発明のチタンまた
はチタン合金の肉盛溶接方法を用いれば、（１Ｇ） チタンまたはチタン合金の肉盛溶接部の接合性を劣化さ
せる母材表面の酸化膜を除去し、接合部界面に脆い化合
物相および介在物が生成せず、良好なヒート形状が得ら
れる。また、電極の損傷がなく、常に安定した肉盛溶接
が行なえるとともに、健全な肉盛溶接金属が得られるプ
ラズマ肉盛溶接が可能となり、工業的にその効果は極め
て大きいものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は交流電源を用いた本発明のチタン・チタン合金
の肉盛溶接方法を実施する装置の一例を示した説明図、
第２図は本発明の電極に印加する電圧波形を示す図、第
３図は正極性成分時間と逆極性成分時間の比率と、清浄
効果域幅および母材の希釈率との関係を示すグラフであ
る。 １・・・タングステン電極、 ２・・・プラズマアークト−チ、 ３ａ・・・トーチ内筒、　　　３ｂ・・１−−チ外筒、
４・・・粉体供給パイプ、　５・・・パイロット電源、
６・・・メイン交流電源、　７・・・高周波発生器、８
・・・正極逆極性時間比率調整回路、９・・・粉体肉盛
材料、　　　１０・・・プラズマアーク、１１・・・チ
タン合金板、　　１２・・・肉盛金属、１３・・・プラ
ズマガス通路、 １４・・・シールドガス通路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）チタンまたはチタン合金の表面の肉盛溶接方法に
   おいて、交流プラズマアーク肉盛溶接方法を用い、電圧
   波形の正極成分時間をｔ＿ａとし、負極成分時間をｔ＿
   ｂとした場合、下式を満足する時間比率で肉盛溶接する
   ことを特徴とするチタンまたはチタン合金の肉盛溶接方
   法。 ６０％≦ｔ＿ａ／（ｔ＿ａ＋ｔ＿ｂ）×１００≦９０％
   …（１）