JPH0371943B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 本発明は、炭酸ガスやアルゴンガス等をシール
ドガスとして用いるガスシールドアーク溶接用ト
ーチノズルに関し、特に、耐スパツタ付着性およ
び耐摩耗性にすぐれたガスシールドアーク溶接用
トーチノズルに関する。 〔従来の技術〕 金属の溶接法において、溶融金属部分に不活性
ガスや炭酸ガスを噴出しながら溶接するガスシー
ルドアーク溶接法が広く普及している。このガス
シールド溶接法においては、シールド効果を大に
するため、ガス噴出のためのトーチノズル１を溶
融金属部にできるだけ近づける必要があり、この
ため、トーチノズルは、スパツタ飛散にさらされ
ることになる。鋼のアーク溶接の際生じるスパツ
タは例えば1000〜2300℃の高温で飛散し、トーチ
ノズル表面に付着する。トーチノズルは一般に銅
合金により構成されており、この銅合金とスパツ
タが物理的又は熱化学的反応によりトーチノズル
の表面に強固に付着堆積することになり、このス
パツタの付着堆積が進むと、シールドガスの流れ
がシールド効果が低下してブローホール発生など
溶接品質の劣化が生じるほか、ノズルと母材間の
スパーク発生などの不都合が生じる。このため付
着スパツタを常時除去する必要があり、これに伴
うノズルの内周面の摩耗が寿命を短かいものとし
ていた。 このようなスパツタ付着に伴う不都合を解消す
る方策として、実開昭56−6576号公報に記載され
るようなホーロー処理を施す方法や、実開昭59−
49476号公報および実開昭59−49477号公報に記載
されるようなトーチノズル先端部や内面にセラミ
ツク層を設けるなどが提案されているが、前者に
おいてはスパツタとの反応性の問題、また後者に
おいてはセラミツク膜の剥離の問題などが残され
ており、いずれの方策も耐スパツタ付着性の面で
は十分でなかつた。 本発明者等は、これらの問題を解決するものと
して、トーチノズル表面にCVD法によりセラミ
ツクを被覆する技術を開発し、先に実願昭59−
163202号として出願した。この出願に係る考案に
より、トーチノズルへのスパツタの付着の問題は
ある程度解決されたが、セラミツク被覆のもう一
つの大きな目的である溶接ふく射熱のしや断効果
の点では、前記出願の考案ではCVD法を用いて
セラミツク被覆を行つているため、その厚さの限
度が10ミクロン程度と薄いため充分な溶接ふく射
熱のしや断効果が得られず、通常銅合金で作製さ
れているトーチノズルの焼鈍軟化を招き結果とし
てトーチノズルの摩耗寿命を十分長くすることが
できなかつた。更にCVD法によるセラミツク被
覆においては、ノズル基体を500℃以上に加熱す
る必要があり、これもトーチノズルの焼鈍軟化を
招いていた。 〔発明が解決しようとする問題点〕 本発明は、ガスシールド溶接に用いられるトー
チノズルにおいて問題となつていた前述のとおり
のスパツタ付着の問題、セラミツク膜の剥離の問
題、およびトーチノズルの焼鈍軟化に伴う摩耗寿
命の問題を同時に解決したトーチノズルおよびそ
の製造方法を提供することを目的としている。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明者等は、前述の目的を達成するための手
段について鋭意研究開発を続けた結果、トーチノ
ズル基体の表面にプラズマ溶射によりセラミツク
被覆を施した場合、セラミツク被覆の膜厚を0.5
mm程度までの溶接中のふく射熱のしや断に十分な
厚さに任意にとることが可能で、またその膜厚が
0.5mm以下である場合はその密着性も特に強く、
かつセラミツク被覆処理中のトーチノズル基体の
温度を100℃程度に抑制することができ処理中の
焼鈍軟化を防止することができることを見出して
完成したものである。 すなわちトーチノズル基体表面に清浄化処理を
施した後、該トーチノズル基体表面に耐酸化性金
属を溶射被覆し、次にプラズマ溶射法により厚さ
0.5mm以下のセラミツク被覆層を形成し、最後に
好ましくは20S以下の表面粗度に研磨処理を施す
ことにより得られたセラミツクプラズマ溶射層を
有するトーチノズルを用いることにより前記目的
が達成されるものである。 前記清浄化処理において、トーチノズル基体表
面を超音波洗浄又はフロン＋超音波洗浄により脱
脂した後、サンドブラストにより酸化皮膜を除去
することが望ましい。前記目的が達成されたもの
である。 〔作用〕 本発明のトーチノズルにおいては、基体１の表
面にスパツタと熱化学反応を起しにくいセラミツ
ク被覆層３を有しており、かつその表面に研磨処
理を施されているため、スパツタとトーチノズル
表面の熱化学反応によるスパツタ付着堆積が防止
できるとともに、第４図ロに示すような表面凹凸
によるスパツタのかかえ込み現象が防止できる。
また、プラズマ溶射法により形成されたセラミツ
ク被覆層はトーチノズル基体との密着強度が高く
かつその厚さを0.5mm程度まで任意に厚くとるこ
とができるため、溶接中のふく射熱を効果的にし
や断でき焼鈍軟化を防止することができ、トーチ
ノズルの寿命を著るしく長くすることができる。 次に本発明のトーチノズルの製造方法における
作用効果について説明する。 ガスシールドアーク溶接に用いられるトーチノ
ズル基体１は通常鍛造又は研削加工で製作される
ため、基体表面には潤滑油などの油脂分５が付着
している。油脂分が付着した状態で、これにセラ
ミツクをプラズマ溶射した場合、酸化条件（空気
中）でのプラズマ火焔距離が短かく、また基体表
面に衝突するセラミツク粒子が小さいため、基体
表面に伝達される熱エネルギーが小さく基体表面
から油脂分を完全に飛散除去することができず、
第３図イの如く炭素５状態でセラミツク被覆層３
に巻込んでしまう。このセラミツク被覆層中に巻
込まれた炭素５が、アーク溶接使用中にセラミツ
ク被覆層の割れ、あるいは剥離の原因になる。 従つて、プラズマ溶射によりセラミツクを被覆
する場合は、超音波洗浄又はフロン＋超音波洗浄
などにより基体表面から油脂分を予め除去してお
くことは、セラミツク被覆層の強度を向上させる
うえで重要である。 また、ガスシールドアーク溶接法トーチノズル
基体１は、通常析出硬化型銅合金を素材としてお
り、表面には強固な酸化被膜が形成されている。
酸化被膜が存在する状態でプラズマセラミツク被
覆を施した場合第３図ロに示す如く基体１とセラ
ミツク被覆層３の間に酸化物層７が残存すること
になり、これがセラミツク被覆層の剥離の原因と
なるため、基体表面の酸化皮膜をサンドブラスト
などにより予め除去しておくことはセラミツク被
覆層の密着性を一層向上させるうえで重要であ
る。因みに、中間に酸化物層が残存しているもの
と、残存していないもののセラミツク被覆層の剥
離強度を比較してみると、前者は後者の約50％程
度と著るしく剥離強度が低いことが確認された。 更に、トーチノズル表面の硬化皮膜を一旦除去
しても、大気中に長時間放置しておくと再び強固
な酸化皮膜を形成するため、サンドブラスト等に
より酸化皮膜を除去した後第３図ハに示すように
ニツケル−クロム合金などの耐酸化性金属４で被
覆しておくことは作業性の点で有利であるばかり
でなく、セラミツクと結合しやすい金属を選択す
れば密着性を更に向上させるうえで有効である。 本発明においては、前述の前処理を施した後、
セラミツクをプラズマ溶射を行うものである。プ
ラズマ溶射においては、プラズマ焔自体の温度は
6000〜10000℃であるが、特に酸化条件下（空気
中）では火焔距離が短かく、かつセラミツク粒子
の粒径も小さいこともあつて、被溶射面に伝達さ
れる熱エネルギーは比較的小さく、通常の大きさ
のガスシールドアーク溶接法トーチノズルを対象
とした場合、その温度上昇は100〜150℃に抑える
ことができる。これは、CVD法又はPVD法を適
用してセラミツク被覆を施した場合基体の温度が
500℃以上に加熱されるのに対し、大きな利点を
もたらす。 すなわち、ガスシールドアーク溶接法に用いら
れるトーチノズルは上Cu−Ni系合金、Cu−Be系
合金、Cu−Zr系合金あるいはCu−Cr系合金など
析出硬化型銅合金で作製されるが、これらの銅合
金は高温に長時間加熱された場合、過時効状態に
なり、強度および硬度が著るしく低下してしまう
性質を有している。したがつて従来法のように
CVD法又はPVD法によりセラミツク被覆を施す
場合にはセラミツク被覆後更に溶体化処理、急
冷、時効硬化処理を施す必要がある。これに対
し、本発明におけるセラミツク被覆層はプラズマ
溶射法により形成されており、プラズマ溶射にお
いては基体の温度上昇は100〜150℃程度までに抑
制できるために、前記従来法におけるようなセラ
ミツク被覆後の再度の熱処理は全く必要なく、ま
た加工硬化状態が維持できるため、トーチノズル
の摩耗寿命も極めて長いものとなる。 プラズマ溶射によりセラミツク被覆した場合の
他の大きな利点は、CVD法又はPVD法を適用し
た場合セラミツク被覆層の厚さに限界があり通常
その厚さを10μ以上にすることが困難であるのに
対し、プラズマ溶射の場合は任意の厚さのセラミ
ツク被覆層を形成することができ、ふく射熱をし
や断し焼鈍軟化を防止するに充分な100μ〜200μ
の厚さのセラミツク層を形成することも可能であ
ることである。 本発明におけるプラズマ溶射セラミツク層とし
ては、市販のいずれのセラミツクを用いてもある
程度の効果が得られるが、本発明者等の数多くの
実験によると、SiC系、SiN₄系、TiO₂系、Al₂O₃
系、Cr₂O₃系、Cr₂O₃−SiO₂系およびBN系セラミ
ツクを用いた場合に特に優れた効果を発揮するこ
とが確認されている。 本発明においては、最後に研磨処理を施してい
るが、これは以下の技術的理由に基づいている。 すなわち、前述のとおり、アーク溶接中に、高
温球体のスパツタ６が飛散し、その１部が第４図
イ，ロに示すようにコンタクトチツプ表面に付着
する。このスパツタの付着の態様を調査してみる
と、コンタクトチツプの特に表面部の素材に左右
されることはもちろんであるが、その表面の面粗
度も極めて多きな要因となつていることが判明し
た。 スパツタ付着を考えるとき、素材に関してはス
パツタとの化学反応を主に考慮すればよいが、表
面状態については、特に化学的ばかりでなく物理
的な面からも考えなければならない。すなわち、
第４図ロに示すように表面の凹部では物理的なか
かえ込みによる付着が発生し、凸部では熱化学反
応が生じ、その相乗効果によりスパツタ付着が促
進され、除去が困難になる。CVD法又はPVD法
を適用する場合は、基体表面を平滑にしてからセ
ラミツクを被覆するためその後の研磨処理はそれ
ほど必要性がないが、本願発明においては、前述
のとおり前処理としてサンドブラストなどの処理
を施すため基体表面粗度が粗くかつプラズマ溶射
によつて溶融セラミツク球体を高速で基体表面に
たたき付けるため被覆後の表面粗度は比較的粗く
凹凸状態を呈するため、このままでは前述のとお
りのスパツタ付着が起き易い。 したがつて本発明の如くプラズマ溶射によるセ
ラミツク被覆を行う場合は、被覆後例えばサンド
ペーパーあるいは砥粒などによつて研磨処理を施
し表面を平滑にする必要がある。表面が平滑であ
る場合凹部におけるスパツタ粒のかかえ込みによ
る付着を防止できるとともに、たとえ、スパツタ
粒６が基体表面に一旦付着してもその付着は第４
図イに示すように点接触により付着している状態
であるので、容易に除去することができる。本発
明者等の実験結果によると、20S以下にすれば前
記効果が得られるが、スパツタ付着量を特に少な
くし、かつ付着スパツタの除去を容易にするため
には表面粗度を5S以下にすることが望ましい。 〔実施例〕 実施例 １ Ni：0.85〜1.0％、Si：0.4〜0.6％残部鋼からな
る鋼−ニツケル合金を研削加工によりアーク溶接
用トーチノズル基体１を作成し、これに次の工程
でセラミツク被覆を施した。 まず、トーチノズル基体を(1)水中に沈め、通常
の超音波アルカリ洗浄処理を３〜５分間施し表面
に付着している油脂分を完全に除去し、次にサン
ドブラスト処理を１分間施し基体表面の酸化皮膜
を破壊除去した後、直ちにAl₂O₃を下記の条件で
プラズマ溶射で吹きつけ基体表面上に125μの厚
さのAl₂O₃被覆層３を形成し、最後にSiC系＃180
のサンドペーパーで研磨処理し平滑な表面の
Al₂O₃被覆アーク溶接用を作成した。

【表】 前記の工程で作成したガスシールドアーク溶接
用トーチノズル、CVD法又はPVD法によつて
Al₂O₃被覆を施したガスシールドアーク溶接用ト
ーチノズル、および被覆なしのガスシールドアー
ク溶接用トーチノズルの３種について実際の溶接
で24時間使用し、そのスパツタ付着量を測定した
結果は下記に示すとおりであり、本発明にかかる
ガスシールドアーク溶接用トーチノズルにおける
スパツタ付着量が最も少ないことがわかる。

【表】 実施例 ２ 実施例１と同様に銅−ニツケル合金で作成した
アーク溶接用コンタクトチツプ基体に超音波洗浄
および／または（超音波＋フロン）洗浄して、さ
らに酸化皮膜の破壊除去処理を施した後、Ni：
80％、Cr：20％のニツケル−クロム合金粉末
（粒度−105〜＋45μ）を下記条件下で溶射被覆し
た後、実施例１と同様にAl₂O₃をプラズマ溶射
し、最後に研磨処理を施しガスシールドアーク溶
接用トーチノズルを作製した。

【表】 この工程により作成したガスシールドアーク溶
接用トーチノズルと実施例１によつて作成したガ
スシールドアーク溶接用トーチノズルについてス
パツタ付着量については実施例１と同条件で、ま
た密着強度については剥離が起きるまでの荷重を
試験した結果は次のとおりであり、この実施例２
によつて作成したガスシールドアーク溶接用トー
チノズルの方が実施例１で作成したものよりも特
にセラミツクの密着強度において一層改善されて
いることがわかる。

【表】 実施例 ３ 銅−ベリリウム合金（Be：1.8〜2.0％）合金製
ガスシールドアーク溶接用トーチノズルに、実施
例１と同様の表面清浄化処理を施した後、下記の
条件でニツケル−クロム合金を溶射被覆した。

【表】 次に、該溶射被覆したトーチノズルを、真空チ
ヤンバー中の回転軸に固定して真空チヤバーを真
空にし、ついてArで置換する溶射直前チヤンバ
ーのガス抜き弁を安全に（膨張したガスの排出の
ため）openにして、下記の条件下でSi₃N₄系セラ
ミツクをプラズマ溶射を施し、最後に実施例１と
同様の研磨処理を施してSi₃N₄系セラミツク被覆
ガスシールドアーク溶接用トーチノズルを作成し
た。

【表】 前記工程で作成したガスシールドアーク溶接用
トーチノズルを実施例２と同様の試験をおこなつ
た結果は次のとおりであつた。

【表】 実施例 ４ 以下プラズマ溶射材料としてAl₂O₃−TiO₂、
TiO₂、Cr₂O₃、Cr₂O₃−SiO₂およびBNを選択し、
実施例１および実施例２と同様の工程でセラミツ
ク被覆を施したものについてスパツタ付着量、お
よび密着強度を測定した結果は次のとおりであ
る。

【表】

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したとおり、本発明は、セラミ
ツク被覆という表面材質の変換および表面の平滑
化によりスパツタ付着量を減少させるばかりでな
く、従来のCVDまたはPVD法によるセラミツク
被覆処理で問題となつていた被覆処理中の焼鈍軟
化およびセラミツク被覆層の厚さの限界からくる
アーク溶接中の輻射熱による焼鈍軟化によつて加
速される摩耗の問題を同時に解決し、さらにトー
チノズル基体表面の脱脂、酸化皮膜除去の清浄化
処理および非酸化性金属の被覆により、セラミツ
ク膜の剥離の問題を解決したものである。 そして、ガスシールドアーク溶接用トーチノズ
ルの寿命がスパツタ付着による目づまりおよび付
着スパツタの除去に伴う摩耗により決定的に左右
されることを考慮すれば、その問題を同時に解決
した本発明は、アーク溶接産業上極めて大きな効
果を有するものと言える。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の被覆層のないトーチノズルを示
す図、第２図は本発明のプラズマ溶射セラミツク
被覆層を有するトーチノズルを示す図、第３図は
プラズマ溶射セラミツク被覆層形成状態を示す図
および第４図はトーチノズルへのスパツタ付着状
態を示す図である。 １……トーチノズル基体、２……ノズル口、３
……プラズマ溶射セラミツク層、４……耐酸化性
金属層、５……炭素、６……スパツタ、７……酸
化物層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ トーチノズル基体表面に清浄化処理を施した
   後、該トーチノズル基体表面に耐酸化性金属を溶
   射被覆し、次にプラズマ溶射法により厚さ0.5mm
   以下のセラミツク被覆層を形成した後、該セラミ
   ツク被覆層に研磨処理を施すことを特徴とするセ
   ラミツク被覆トーチノズルの製造方法。 ２ 前記耐酸化性金属がニツケル−クロム系合金
   であることを特徴とする特許請求の範囲第１項に
   記載のセラミツク被覆トーチノズルの製造方法。 ３ 前記表面清浄化処理が、超音波洗浄又はフロ
   ン＋超音波洗浄による脱脂とサンドブラストによ
   る酸化皮膜除去からなる特許請求の範囲第１項又
   は第２項に記載のセラミツク被覆トーチノズルの
   製造方法。 ４ 脱脂および酸化皮膜除去されたトーチノズル
   基体表面に耐酸化性金属からなる皮膜を設け、該
   被皮膜上に厚さ0.5mm以下のセラミツク被覆層を
   形成してなり、該セラミツク被覆層は、表面粗さ
   20S以下の外面を有することを特徴とするセラミ
   ツク被覆トーチノズル。 ５ 前記耐酸化性金属皮膜がニツケル−クロム系
   合金からなる特許請求の範囲第４項に記載のセラ
   ミツク被覆トーチノズル。