JPH0413477A - 金属系部品の表面改質方法及びその装置 - 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、高密度エネルギ及び肉盛り溶接によって改質
を行う金属系部品の表面改質方法及びその装置に関する
。

Ｅ従来の技術］ 近来にあっては、内燃機関のシリンタヘッドなど、部分
的に大きな熱的・機械的負荷か掛かるアルミ鋳物部品等
の部位を表面改質（強化）するために、レーザビーム、
電子ビーム、Ｔ）Ｇアーク、ＭＩＧアークなどの高密度
エネルギ照射によって、再溶融処理或いは合金再溶融処
理（耐熱元素付加）を行う方法が種々提案されている。

これら提案方法においては、利用する高密度エネルギに
係わる特長があり、合金化層を深くすることが可能であ
ること（レーザ、電子ビーム）、鋳肌面へ直接合金化で
きること（レーザ、電子ビーム、ＴＩＧ）　、溶接速度
が速いこと（ＭＩＧ）などがあげられる。

［発明が解決しようとする課題］ ただしこれら高密度エネルギには、それぞれ次のような
短所があった。

即ち、装置が高価である（レーザ）、処理時間が長く且
つ真空内での処理が必要である（電子ビーム）、母材の
ポロシティ−欠陥の影響が大きくブローホールを生じや
すい（ＴＩＧ、ＭＩＧ）等々である。

これらを勘案すれば、安価でしかも高生産性が図れる方
法としては、ＴＩＧ或いはＭＩＧ溶接法を使った合金化
（肉盛り溶接）を行うことが望ましい。しかしなからこ
れらには、上記課題のほか、合金化層の添加合金量か少
ない（ＴＩＧ）、ｉ肌面への直接溶接が出来ず、事前に
切削加工が必要（ＭＩＧ）という問題があった６ そこで本発明は、上記事情に鑑み、切削加工が不要で、
ブローホール等の欠陥がなく、しかも添加合金量を多く
できる金属系部品の表面改質方法及びその装置を提供す
べく創案されたものである。

二課題を解決するための手段及び作用］本発明の第一は
、改質対象の部位に高密度エネルギを照射して溶融させ
、この溶融された部位の温度を検出した後、この検出温
度に基づいた溶接条件で、耐熱元素を含有させたワイヤ
により肉盛り溶接するものである６ また本発明の第二は、上記方法を実施するための装置で
あって、改質対象の部位を溶融させるための高密度エネ
ルギ照射手段と、溶融後の部位に耐熱元素を含有させた
ワイヤて′肉盛り溶接するためのＭＴＧ溶接機と、この
ＭＩＧ溶接機の溶接条件を決定させる溶融後の部位の温
度を検出するための温度検出手段とを備えたものである
。

そして上記温度検出手段は、上記高密度エネルギ照射手
段の溶接方向後方に設けられ、溶融後の部位に接触して
その温度を検出する可動熱電対を有したものであること
が望ましい。

この可動熱電対は、上記高密度エネルギ照射手段の溶接
移動に追従し、溶融された直後の部位の温度を正確に検
出する。

さらに上記ワイヤは、耐熱元素の核粒子に金属粒子を被
覆させたカプセル粒子を鞘材の内に充填させて成るもの
であることが好ましい。

このワイヤによって、耐熱元素を均一にしかも所望の濃
度で配合する肉盛り溶接が為される。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を、添付図面に従って説明する。

先ず、本発明に係わる金属系部品の表面改質装置の一実
施例を説明する。

第１図に示すように、この表面改質装置は、アルミ鋳物
部品などの改質対象となる部位１を溶融させる高密度エ
ネルギ照射手段たるＴＩＧ溶接トーチ２と、溶融後の部
位に肉盛りするＭＩＧ溶接Ｉ１３と、溶融後の部位の温
度を検出する温度検出手段４とにより主として構成され
ている。

ＴＩＧ溶接トーチ２は、アークを発生させるための電極
（タングステン棒）５と、を極を囲んで不活性ガスＧを
噴出するためのノズル６とで成り、不活性ガスＧでシー
ルドしながら当該部位１を溶融く再溶融）するようにな
っている。

ＭＩＧ溶接Ｉ！１３は、不活性ガスＧを吹き出すノズル
７と、溶接用のワイヤ８を順次送り出すワイヤ送給装置
９とで成るＭＩＧ溶接トーチ１０を備え、ワイヤ８を消
耗電極として肉盛り溶接を行うようになっている。本実
施例にあっては、ワイヤ８として、後述する複合粉体を
その内部に収めたものを使用している。

この他ＭＩＧ溶接機３には、肉盛り溶接を所定の条件下
で適宜実行するための溶接副脚器１１が備えられており
、溶接（移動）速度、ワイヤ供給速度、電圧、電流など
を調節するようになっている。

またこれら溶接トーチ２．１０は、溶接方向Ａに移動す
る電極部１２として一体的に、所定の間隔を隔てて保持
され、ＴＩＧ溶接トーチ２が溶接方向Ａ前方に位置され
ている。即ち当該部位１は、ＴＩＧアークで再溶融され
た直後に、ＭＩＧ溶接機３による肉盛り溶接されること
になる。

そして、ＴＩＧ溶接トーチ２の溶接方向後方且つＭＩＧ
溶接トーチ１０の前方に、温度検出手段４となる可動熱
電対１３が設けられている。

第２図及び第３図に示すように、この可動熱電対１３は
、所定の長さを有し電極部１２から垂下されたロッド１
４と、該ロッド１４の先端に回動自在に支持されたロー
ラ１５と、ローラ１５を挟んで径方向両側に設けられた
接点保持体１６とを備えて構成されている。

ローラ１５は、外周面１７が円弧状に形成されて、対象
部位１と接触し相対移動したときに転勤するようになっ
ている。そして外周面１７の幅方向中央に、線状の接点
部材１８が巻回されている。

一方接点保持体１６は、ローラ１５の外周部分を水平方
向で囲むようにコ字状に形成され、外周面１７と正対し
た部分には、その中央頂部に点接触すべく膨出された接
点端子１９が形成されている。

そしてこの接点端子１９に、熱起電力を発生する一対の
金属線である、アルメル線２０及びクロメル線２１の先
端がそれぞれ埋設されている。即ちこれら金属線２０．
２１は、接点部材１８を介して接続されていることにな
る。

また金属線２０．２１の他端側は、第１図に示したよう
に、熱起電力測定器２２に結線されていると共に、増幅
器２３を経由して溶接制御器１１に連絡され、温度情報
（検出値）として入力されるようになっている。

この他、第２図及び第３図に示したように、ロッド１４
の先端部と接点保持体１６との間には引張スプリング２
４が設けられており、接点端子１９とローラ外周面１７
、即ち金属線２０．２１の先端と接点部材１８との接触
が確実に為されるように形成されている。

ここで、本実施例のワイヤ８の構成を製造方法と共に説
明しておく。

このワイヤ８を製造するに際しては、ます、第４図に示
すように、耐熱元素たるＣｒの粒子２５に、その１／１
０程度の粒径を有した金属粒子たるアルミ粒子２６を付
着させる。この付着する力は、公知のファンデルワール
ス力によるものである。

このようにアルミ粒子２６で囲まれたＣｒ粒子２５を、
８，０００〜１６，０００ｒｐｎの回転翼を備えた容器
（遠心転勤装置−図示せず）の内に投入し、１〜１０分
間、気流による衝撃力を与える。この衝撃作用により、
付着したアルミ粒子２６は、Ｃｒ粒子２５に強固に密着
して、第５図に示すように、Ｃｒの核粒子２７がアルミ
の被覆粒子２８で被膜されたカプセル粒子２９が製造さ
れる。

次に、第６図に示すように、アルミ展伸材によって製造
した鞘材となるパイプ３０に、製造したカプセル粒子２
９の集合体である複合粉体を充填させる。そして、この
パイプ３０を線引きすることで、第７図に示すような直
径０．８〜１．６ｍｉのワイヤ８が得られることとなる
。なお粉体充填以降の工程は、公知のフラックス入りワ
イヤ（ｆｌｕｘ−ｃｏｒｅｄ　ｗｉｒｅ）と同様に行え
ばよい。

次に本発明に係わる金属系部品の表面改質方法の一実施
例を、上記構成の作用として説明する。

上記表面改質装置によって、アルミ鋳物部品たるシリン
ダヘッドの当該部位１、例えば第８図に示すようなシリ
ンダヘッド３１の吸気ボート３２と排気ボート３３との
間を改質するに際して、電極部１２を部位１の一端ａか
ら他端すへと移動を行う。

即ち第９図に示すように、まず、ＴＩＧ溶接トーチ２の
アークによって、その部分を溶融させる（ＳＴＩ）。即
ち第１図で示したようにリメルティング層３４を形成す
る。

このシリンダヘッド３１の表面は、ＭＩＧ溶接を行う際
に障害となる酸化物（、ｌ□０３）で覆われているが、
先行するＴＩＧアークによってこれが破壊され、母材（
アルミ）の新しい層が表面に出てくることで、ＭＩＧ溶
接による肉盛りが可能になるものである。そして、母材
がＴＩＧアークにより加熱されて溶融されることで、ブ
ローホールの原因となる微少なガス（ポロシティ−欠陥
）が溶出されて、微細で緻密な金属組織となる。

そして形成されたりメルティング３４層に、可動熱電対
１３のローラ１５を接触させて、その温度Ｔを、即ちＭ
ＩＧ溶接にとっての余熱温度を検出するｆｓＴ２）。

この検出値ｔは溶接制御器１１に入力され、ＭＩＧ溶接
に最適な条件を決定する。溶接制御器１１には予め制御
データが記憶されており、本実施例にあっては第１０図
に示すような溶接条件マツプに従って制御するようにな
っている。

この溶接条件マツプは、ワイヤ供給速度、＠極走行速度
、電極間距Ｍ（部位との間隔）が一定としたときに、電
流値■毎の余熱温度Ｔと溶は込み深さＤとの関係が書き
込まれている。溶は込み深さＤは、余熱温度Ｔが高いほ
ど大になると共に、同じ余熱温度であれば電流値Ｉが大
であるほど大になる。従って余熱温度Ｔが判れば、電流
値■を選択することによって所望の溶は込み深さＤか得
られることとなる。本実施例にあっては、最適な溶は込
み深さＤｏを中心にして、上限ＤＨと下限ＤＬとを設定
し、ある余熱温度ｔに対して、肉盛り溶接が成立する（
溶は落ちかなく、且つアークがとぶ）電流値１１〜Ｉ８
の内のいずれかを選択すれば、少なくともこの適正範囲
（ＤＨ〜ＤＬ）に入るように設定した。

余熱温度情報が入力された溶接制御器１１は、ＭＩＧ溶
接機３の溶接条件を決定すべく、溶接条件マツプから適
正範囲に入っている最も適当な電流値Ｉを抽出する（Ｓ
Ｔ３）。例えば第９図中、検出された余熱温度がｔｌで
あれば、該当する１、か選択される。

ＭＩＧ溶接機３は、溶接制御器１１によって決定された
溶接条件下で、リメルティング層３４に対して肉盛り溶
接する（ＳＴ４）。即ち、第１図に示したように、カプ
セル粒子２９を充填させたワイヤ８を使ってアーク溶接
することにより、余熱された部位１に耐熱合金層３５を
形成する。

再溶融及び肉盛り溶接が進行するに従って、移動熱電対
１３もこれに追従し、順次、リメルティング層３４の温
度情報を溶接制御器１１に入力させる。溶接制御器１１
は、この検出値ｔと、溶接条件として選択した電流値１
１とを溶接条件マツプ上で比較し、余熱温度Ｔがその上
限ＤＨに達したらｆｓＴ５）　、Ｍ　Ｉ　Ｇ溶接トーチ
１０の電流値Ｉを下げる（ＳＴ６）。即ち当初の電流値
１１よりも低い電流値Ｉ２に切り換える。

従ってＴＩＧアークによる余熱温度Ｔが次第に上昇して
いく場合は、第９図中、最適の電流値が１１→Ｉ２→工
３→・・・と切り換えられると共に、溶は込み深さを示
す余熱温度Ｔとの交点が、■→■→■→■→・・・と移
行していくことになる。

そして電極部１２が対象部位１の終端（ｂ）に達しなら
、ＴＩＧアークを、次いでにＭＩＧアークを停止させ、
改質を終了させるｆ　Ｓ　Ｔ、７　）。

なお始点ａから余熱温度管理の再溶融及び肉盛りを行う
場合は、始点ａよりも手前の位Ｗｃがら開始することと
なる。

このように、ＴＩＧ溶接トーチ２とＭＩ’Ｇ溶接機３と
を直列にセットして、対象部位１の表面を再溶融した直
後に、ＭＩＧ溶接により肉盛りするようにしたので、切
削加工なしでＭＩＧ溶接の利点が生かせると共に、再溶
融の過程でガスの溶出がなされ、ポロシティ−欠陥によ
るブローホールの発生を防いで、溶接欠陥のない耐熱合
金層３５を形成することができる。

そして、ＴＩＧアークの余熱効果により母材（アルミ）
とワイヤ８とのなじみが良くなり、溶接割れが防止でき
、且つ溶は込みを深くすることができる。

従って本発明は、従来のアーク溶接単独の場合よりも良
好な肉盛り溶接できることとなる。即ち溶接肉盛りによ
って合金化或いは耐熱金属添加を行う際には、うまく溶
接できるか（ビード外観）。

肉盛り部分の品質は健全か（ブローホール欠陥等の有無
）、溶接盛りの範囲は大か（溶は込み深さ及び幅・・・
溶着量）がポイントとなるか、本発明によれば、全ての
点で単独（ＴＩＧ又はＭＩＧ）の肉盛り溶接にまさり、
安価でしかも高生産性が図れる実際的な合金化・耐熱元
素添加が実現されるものである。

そしてリメルティング層３４の温度を可動熱電対１３に
よって検出し、この検出温反毛に基づいてＭＩＧ溶接機
３の溶接条件を決定するようにしたので、余熱温度Ｔを
リアルタイムで正確に把握でき、所望する溶着量の耐熱
合金化層３５が形成できる。即ち再溶融される部位の初
期の温度で管理するものとした場合、溶接によって温度
が段々と高くなり、初期の溶は込み深さと終わりの溶は
込み深さとが大きく異なってしまうおそれがある。

本発明は、変化する余熱温度Ｔに応じてＭＩＧ溶接の溶
接条件を変えるものであり、常に所望の溶は込み深さＤ
で成る耐熱合金層３５が得られるものである。

また本実施例の可動熱電対１３は、リメルテインク層３
４に直に接触し、しかもローラ１５を実質的な接点部と
しているので、ＴＩＧ溶接トーチ２と常に所定の間隔を
隔てて追従でき、正確な温度検出がなし得るものである
。

なお本実施例では、電流の制御を予め作成した溶接条件
マツプによって制御するものとしたが、余熱温度Ｔによ
って電流を変える制御であれば、どのようにしても構わ
ない。

また第８図において、検出した温度情報を、ＭＩＧ溶接
機３に提供するだけでなく、ＴＩＧ溶接のアーク制御に
フィードバックさせるようにしてもよい。この場合、リ
メルテインク層３４の深さ（余熱温度Ｔ）が安定し、よ
−り耐熱合金層３５の品質の向上か図れる。そしてその
ための温度検出手段（可動熱電対）を別個に、例えばＴ
ＩＧ溶接トーチ２の直前に設けるようにしてもよい。

さらに本実施例にあっては、Ｃｒを核としたカプセル粒
子２９を充填させたワイヤ８で肉盛り溶接するようにし
たので、溶接割れの発生を防ぐことができる。

即ち、耐熱合金層３５において、Ｃｒはアルミ合金鋳物
とのなじみ性が確保されているアルミのマトリックス中
に粒子として均一に分散・配置される形になるので、耐
熱金属のみで盛り金する際の割れの要因か除かれるもの
である。

従って、従来の合金再溶融処理においては、欠陥或いは
処理後のキレツを防止するためには添加元素の濃度を抑
える必要があって、耐熱性の大幅向上が望めないという
問題があったが、本実施例によれば、添加耐熱元素の濃
度の制限が大幅に緩和され、カプセル粒子２９における
耐熱元素粒子２５の径（アルミ粒子２６径との比）を変
えることで、任意の濃度とすることかできる。

またこのワイヤ８を使用することで、溶接の際の電気抵
抗が均一になる。これは、耐熱元素粒子とアルミ粒子と
の混合物を製造する場合、均一に混合することが困龍で
あるという事情がある。従って、混合粒子の不均一によ
って、電気抵抗がワイヤの長さ方向で異なってしまい、
安定した溶接肉盛りを行うことが非常に困離となってし
まう。

本実施例は、この様な困龍を未然に防いでいるものであ
る。

なお、カプセル粒子２９の核（耐熱元素）としては、Ｃ
ｒのほか、他の＃４熱金属（Ｃｏ、Ｍｏなど）、或いは
ＡＮ　２０ｓ　、ＳｉＣ，５ｉ３Ｎ４ＣｕＯなどのセラ
ミンクス粒子を採用することもできる。また被覆粒子及
び鞘材としては、アルミの他なじみ性の良い金属（Ｃｕ
なと）を使用できる。

また、ワイヤの形状（断面）は、第７図に限るものでは
なく、カプセル粒子の粉体を充填できるものであればど
のようなものでもよい。例えば、フラックス入りワイヤ
で供用されている種々の形状から選択すればよい。

さらに、ＭＴＧ溶接に先行する高密度エネルギとしてＴ
ＩＧアークを示したが、プラズマアークを使用してもよ
い。

なお第２図及び第３図に示した接点部材１８は、熱電対
の応答性を良くするために細いほうが好ましい。またこ
の接点部材１８を製造するに際しては、例えばアルメル
線にクロメル組成を蒸着させる、或いはクロメル線にア
ルメル組成を蒸着させるものとする。

またローラ１５は、耐熱性と同時に断熱性及び電気絶縁
性を有した材料構成とする必要がある。

これらを勘案すれは、ＡＪ　２０ｓ　、　Ｓ　ｉ　ｓ　
Ｎ４ＳｉＣなとのセラミックスとすることが望ましい。

ただし製造性を配慮して、ローラ１５本体を金属系材料
製とし、外周面１７のみをセラミックスとすることも可
能である。

さらに接点端子１９は、熱電対の接点部であると同時に
金属線２０．２１と接点部材１８との接点でもある。こ
のためその耐久性を持たせるために、その表面（接点）
を銀メツキ或いは金メツキで成形しておくことが好まし
い。

また接点保持体１６は、ローラ１５と同じく耐熱性と電
気絶縁性が必要であり、セラミックス系の材料で製造す
ることが望ましい。

また本実施例では、熱電対をＣＡ線としたが、その他、
銅−コンスタンタン、白金・ロジウム−白金など、測定
温度範囲により使い分けできるものである。

さらに温度検出手段４の最も好ましい構成として、本実
施例の可動熱電対１３を示したが、対象部位１の近傍に
固定した熱電対を設けるようにしてもよい。この場合、
その検出値とリメルティング層の温度との関係を予め求
めておき、余熱温度を推定して把握することになる。ま
た反射率の補正をした放射温度計での非接触による余熱
温度測定とすることも考えられる。ただしこの場合、ア
ルミ部材に対しては補正値が大きくなり、検出精度が悪
くなると予想される。

［発明の効果］ 以上要するに本発明によれば、次のような優れた効果を
発揮する。

（１）請求項１及び２の方法及び装置によって、事前の
切削加工が不要で溶接欠陥がない耐熱合金層が形成でき
、しかもその溶着量を所望のものにできる。

（２）請求項３の温度検出手段によって、正確に溶融後
の部位の温度か把握ができ、適切な溶接条件制御によっ
て耐熱合金層の品質向上が図れる。

（３）請求項４のワイヤによって、耐熱元素の濃度を濃
くすることができ、しかも溶接割れの発生を防ぐことが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わる金属系部品の表面改質装置の一
実施例を示した側面図、第２図はその温度検出手段の要
部を示した側面図、第３図は第２図中の■−■線矢視断
面図、第４図は第１図のワイヤを説明するためのカプセ
ル粒子の製造過程を示した断面図、第５図は製造された
カプセル粒子の断面図、第６図はワイヤの製造過程を示
した斜視図、第７図は製造されたワイヤの斜視図、第８
図は第１図の改質対象の部位を示したシリンダヘッドの
下面図、第９図は本発明の金属系部品の表面改質方法の
一実施例を示したフローチャート、第１０図はその溶接
条件決定過程を説明するための溶接条件マツプである。 図中、１は改質対象の部位、２は高密度エネルギ照射手
段たるＴＩＧ溶接トーチ、３はＭ　ＩＧ溶接機、４は温
度検出手段、８はワイヤである。 第２図 第３図 第４ 図 第 図 第 図 第 図 第 ７図 第９図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、改質対象の部位に高密度エネルギを照射して溶融さ
   せ、この溶融された部位の温度を検出した後、この検出
   温度に基づいた溶接条件で、耐熱元素を含有させたワイ
   ヤにより肉盛り溶接することを特徴とする金属系部品の
   表面改質方法。 ２、改質対象の部位を溶融させるための高密度エネルギ
   照射手段と、溶融後の部位に耐熱元素を含有させたワイ
   ヤで肉盛り溶接するためのＭＩＧ溶接機と、該ＭＩＧ溶
   接機の溶接条件を決定させる上記溶融後の部位の温度を
   検出するための温度検出手段とを備えたことを特徴とす
   る金属系部品の表面改質装置。 ３、上記温度検出手段が、上記高密度エネルギ照射手段
   の溶接方向後方に設けられ、上記溶融後の部位に接触し
   てその温度を検出する可動熱電対を有した請求項２記載
   の金属系部品の表面改質装置。 ４、上記ワイヤが、耐熱元素の核粒子に金属粒子を被覆
   させたカプセル粒子を鞘材の内に充填させて成る請求項
   ２又は３記載の金属系部品の表面改質装置。