JPH0436787B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は所定の加工部材（母材）に肉盛溶接を
行う方法に係り、特にプラズマアークによつて粉
末材料を該加工部材に肉盛溶接する方法に関する
ものである。 バルブ，パイプ，ロール等の加工部材（母材）
に所定の肉盛（溶加材）を溶接することによつ
て、加工部材表面の耐摩耗性，耐熱性，あるいは
耐蝕性等を改善する肉盛溶接が従来より知られて
いる。そして、その一つに、いわゆるPRW
（Plasma Arc Powder Welding）法と呼ばれる
プラズマ粉末肉盛溶接方法がある。 このプラズマ粉末肉盛溶接方法は、プラズマア
ークトーチのトーチ内筒内の電極の先端に発生す
るアーク（パイロツトアーク）を、そのトーチ内
筒内の通路に供給されるプラズマガスによつてプ
ラズマアークと為す一方、かかるプラズマアーク
を、電極と所定の加工部材との間に流される溶接
電流によつて、電極と加工部材との間に移行せし
めると共に、そのプラズマアーク内に搬送ガスを
用いてその加工部材に肉盛されるべき粉末材料を
供給せしめることにより、かかる粉末材料を溶接
せしめて前記加工部材の表面に移送し、所定の肉
盛を行うようにした溶接方法であつて、上述のよ
うに肉盛材として粉末材料を用いるものであるこ
とから、肉盛材の材料選択が広範囲にわたつて溶
易に為され得ると共に、母材の溶込み量が少な
く、したがつて希釈率が低く、また棒材を用いる
場合に比較して、その溶融速度が速くなつて、溶
接時間が短縮化され得る等の優れた特徴を備え、
しかも装置の完全自動化が溶易なため、近年注目
を浴びるようになつてきたものである。 ところで、このプラズマ粉末肉盛溶接方法で
は、プラズガスの流量が多過ぎると、加工部材の
肉盛部中央の溶融した肉盛材がそのプラズガスの
勢いによつて周辺部に吹き寄せられ、肉盛部のビ
ード形状が不良となるなどの問題が惹起される
が、従来においては、そのような問題が生じた場
合、単にその流量を減少されると、それに伴つて
プラズマアークが退縮し、加工部材へプラズマア
ークを安定して供給できる条件が大幅に制限さ
れ、特に電圧の高いタイプのトーチにおいては使
用できなくなるという欠点があつた。 ここにおいて、本発明は、かかる事情に鑑みて
為されたものであつて、その目的とするところ
は、プラズガスの供給が少ない場合であつても、
プラズアークトーチの使用条件を制限することな
く、プラズマアークを安定して加工部材に供給
し、且つ肉盛材を均一に分布させて良好なビード
形状を得ることができるようにしたプラズマ粉末
肉盛溶接方法を提供することにある。 そして、かかる目的を達成するために、本発明
に係るプラズマ粉末肉盛溶接方法では、それぞれ
先端がノズル部とされたトーチ内部とトーチ外筒
とを、該トーチ内筒の中心部に電極を配した状態
において、同軸的に設け、該トーチ内筒内の通路
には所定圧力のプラズマガスが供給されるように
する一方、該トーチ内筒と前記トーチ外筒との間
の通路には所定の粉末材料を含んだ搬送ガスが供
給されるようにすると共に、該トーチ外筒の先端
ノズル部の周りに軸心方向にシールドガスを略円
筒状に付き出すシールドガス吹出手段を設けてな
るプラズマアークトーチを用いた前記の如きプラ
ズマ粉末肉盛溶接方法（PPW法）において、電
極と加工部材との間に溶接電流を流すための電源
の電流−電圧特性を矩形化して、使用電流範囲内
において定電圧化するようにしたのである。 このようにすれば、たとえプラズマガス量を減
少させても、その減少によるプラズマアークの退
縮分が電源の電圧によつて補償されるので、プラ
ズマアークが退縮するこのがなくなり、加工部材
へのプラズマアークが安定に維持されて、加工部
材の肉盛部におけるビード形状も良好な状態に形
成されるのであり、トーチの使用条件も制限され
ることがないのである。 すなわち、従来においては、溶接電流を流すた
めの電源は、その電流−電圧特性が電流の増加に
ほぼ比例して電圧が減少するような特性とされて
いたため、プラズマガス量の減少によつてプラズ
マアークが退縮した場合、その退縮分を電圧の昇
圧によつて補償できる範囲が電流量の少ない狭い
範囲に制限されれいたのであるが、本発明によれ
ば電流量の多い範囲においてもトーチに十分大き
な電圧を加えることができるので、たとえ上述の
ようにプラズマガス量の減少によつてプラズマア
ークが退縮した場合でも、また使用トーチが電圧
の高いタイプのものであつても、その退縮分を電
圧の昇圧で十分補うことができるのである。 なお、ここで電源によつて維持される電圧は、
プラズマガス量の減少によつても電極と加工部材
との間におけるプラズマアークを安定に維持でき
る大きさ電圧であるが、この電圧はトーチの容量
や形状、電極と加工部材間の距離、溶接電流の使
用電流範囲等によつて異なるため、その都度適宣
設定されることとなる。 以下、本発明より一層具体的に明らかにするた
めに、自動車用バルブに肉盛溶接を施す場合につ
いて、その一実施例を図面に基づいて詳細に説明
する。 まず、第１図は本発明が好適に実施されるプラ
ズマ肉盛溶接装置の説明図で、１０はプラズマア
ークトーチ（以下、単にトーチという）の先端部
である。トーチ１０は、中心部にタングステン電
極１２を備えており、この電極１２の外側にはト
ーチ内筒１４およびトーチ外筒１６がそれぞれ所
定の距離を隔てて同軸に配設されている。そし
て、それら電極１２とトーチ内筒１４との間、お
よびトーチ内筒１４とトーチ外筒１６との間に、
それぞれ環状の通路１８および２０が形成されて
いる。 通路１８は、配管２２を介してプラズマガス供
給装置２４に接続されており、所定圧力のプラズ
マガスが所定の流量で供給されるようになつてい
る。そして、この通路１８に供給されたプラズマ
ガスが、トーチ内筒１４の先端に設けられたノズ
ル３０から、外部に噴出させらるようになつてい
るのである。なお、このプラズマガスとしては、
アルゴンガス，ヘリウムガス等の不活性ガスが用
いられる。 また、通路２０は配管３２を介して搬送ガス供
給装置３４に接続されており、さらにその配管３
２の中間部にパウダ供給装置３６が接続されて、
そのパウダ供給装置３６から所定の粉末材料（肉
盛材）が供給されるようになつている。つまり、
通路２０には所定量の粉末材料を含んだ搬送ガス
が供給され、その搬送ガスがトーチ外筒１６の先
端に設けられたノズル３８から外部に噴出させら
れるようになつているのである。なお、粉末材料
としては、Co基，Ni基，Fe基等の各種溶加材粉
末を用いることが可能であり、それらの中から肉
盛溶接の目的あるいは加工部材の材質等に応じて
適宣選択されることとなる。また、搬送ガスとし
ては上記プラズマガスと同様に、アルゴンガス，
ヘリウムガス等の不活性ガスが用いられる。 一方、トーチ内筒１４およびトーチ外筒１６の
ノズル３０および３８には、それぞれ冷却水通路
４０および４２が配設されて、それら両ノズル３
０および３８を冷却するようになつている。ま
た、トーチ外筒１６の先端部には、シールドガス
供給装置４４から配管４６を介してアルゴンガ
ス、ヘリウムガス等のシールドガスが供給される
ようになつており、そのシールドガスがトーチ１
０の軸心方向へ略円筒状に吹き出されることによ
り、溶接部がシールドされるようになつている。 さらに、前記トーチ１０の電極１２とトーチ内
筒１４との間には、パイロツト電源４８から所定
のパイロツト電流が供給されるようにさつている
とともに、電極１２と肉盛溶接を施すべき加工部
材（母材）としての自動車用バルブ５４との間
に、メイン電源５０から所定のメイン電流（溶接
電流）が供給されるようになつている。また、電
極１２とトーチ内筒１４との間には、パイロツト
電源４８と並列に高周波発振器５２が介挿されれ
いる。 上記バルブ５４は一軸回りに所定の速度で回転
せしらめるバツキング５６に固定されており、そ
の回転に伴つてバルブ５４の傘部の溶接部（肉盛
部）５８に所定の表面硬化肉盛溶接が施されるよ
うになつている。 このように構成された装置において、肉盛溶接
を行うには、まず、パイロツト電源４８からパイ
ロツト電流を供給し、電極１２の先端とトーチ内
筒１４のノズル３０との間にパイロツトアークを
発生させると同時に、プラズマガス供給装置２４
から環状通路１８内にプラズマガスを供給する。
これにより、電極１２の先端にプラズマアークが
形成される。なお、このプラズマアークは高周波
発振器５２によよつて定められた所定の周期で発
生させられうる。 その後、電極１２とバルブ５４との間にメイン
電源５０からメイン電流（溶接電流）を供給し、
電極１２の先端に形成させれいるプラズマアーク
をバルブ５４へ移動させる。そして、この状態に
おいて、搬送ガス供給装置３４およびパウダ供給
装置３６から所定の粉末材料を含む搬送ガスを通
路２０内に供給し、ノズル３８から噴出される。
この噴出された粉末材料がプラズマアークによつ
て溶融され、バルブ５４の傘部溶接部５８に、第
１図に破線で示されるように、肉盛溶接されるの
である。なお、このとき、トーチ１０の先端部か
らはシールドガスが吹き出させられ、溶融された
粉末材料や溶接部５８が空気中の酸素等の影響を
受けないようにされている。 そして、以上のように肉盛溶接する装置におい
て、本実施では、前記ノズル３０および３８から
噴出されるプラズマガスの流量が、例えば0.6〜
1.2／min程度（ガス圧にして1.5Kg／mm²程度）
と比較的低く設定されるとともに、前記電極１２
と加工部材としてのバルブ５４との間に溶融電流
を流すためのメイン電源５０の電流−電圧特性
が、第２図に実線で示されるように、略矩形状と
されて、例えば使用電流範囲300A以下において
その出力電圧がほぼ60V程度に維持されるように
なつているのであり、プラズマガス流量とメイン
電源５０の電流−電圧特性が上述のように設定さ
れることによつて、自動車用バルブ５４の溶融部
５８の肉盛溶接が、広い範囲の電圧タイプのトー
チ１０にわたり、その溶接時においてプラズマア
ークが不安定となることもなく行われて、良好に
ビード形状が得られるようになつているのであ
る。なお、上述のような電流−電圧特性を有する
メイン電源５０は、例えばサイリスタ制御整流方
式を採用することによつて得ることができるが、
それ以外の整流方式を採用したものであつても差
支えない。 なお、従来においては、上記と同様の肉盛溶接
を行う場合、そのプラズマガス流量が2.5／
min程度と多く、溶接部５８の中央部においてビ
ード形状が欠肉状態を呈する不都合があつたので
あり、プラズマガス流量を減少させてその不都合
を解消しようとすると、メイン電源５０が第２図
に破線で示されるような電流−電圧特性であつた
ところから、電圧が低く、電流量の多い範囲で
は、プラズマアークが不安定となつて、却つて良
好にな肉盛溶接ができなかつたのである。 ちなみに、メイン電源５０の特性を使用電流範
囲内で定電圧化した本実施例の方法と、第２図に
破線で示した特性を有する従来の方法においてプ
ラズマガス量を単に本実施例と同様の量（0.6〜
1.2／min）まで減少させた場合とにおいて、
プラズマアークの発生状況およびビード形状につ
いて調べた結果を第１表に示す。なお加工部材と
しての自動車用バルブ５４は21−4N材料からな
る、傘部の径が36mm（溶接部５８の幅が約４mm）
のものを対象とし、溶接速度は4.5mm／ｓの場合
と6.0mm／ｓの場合を対象とした。また、トーチ
１０の電圧タイプについては、それぞれ30，40お
よび45Vのものを対象とした。

【表】 かかる第１表から明らかなように、メイン電源
５０の電流−電圧特性が使用電流範囲（本実施例
では300A程度以下）で定電圧化されていない従
来の方法では、溶接電流が多く、電圧が低下する
範囲ではプラズマアークが安定せず、したがつて
肉盛溶接を良好に行うことができなかつたが、本
実施例のようにその特性を矩形化して、定電圧化
すれば、そのような範囲でも、またトーチ１０が
高い電圧タイプのものであつても、肉盛溶接時に
おいてプラズマアークを安定して発生できるので
あり、その結果として良好なビード形状を得るこ
とができるのである。なお、第２図において右に
傾斜した斜線で示される範囲が、本実施例の方法
でプラズマアークを安定して発生することができ
る範囲であり、左に傾斜した斜線で示される範囲
が従来の方法におけるプラズマアークを安定して
発生できる範囲である。 以上、本発明の一実施例を説明したが、本発明
はかかる実施例に限定して解釈されるべきもので
はない。 たとえば、前記実施例においては、加工部材
（母材）として自動車用の、傘部の径が36mmのバ
ルブ５４が挙げられていたが、加工部材としては
傘部の径が他の径のものであつてもよく、またパ
イプ，ロール等を加工部材としても何等差支えは
ないのである。 また、前記実施例では、メイン電源５０の電圧
がほぼ60Vに維持されるようになつていたが、そ
の維持電圧は状況に応じて変更し得るものであ
る。 さらに、使用電流範囲も、前記実施例のよう
に、300A程度以下に限定されるものではなく、
状況に応じて変更し得ることはもちろんである。 その他、一々列挙はしないが、本発明がその趣
旨を逸脱しない範囲内で種々なる変形，改良等を
施した態様で実施し得ることは言うまでもないと
ころである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を好適に実施し得るプラズマ肉
盛溶接装置の一例を示す説明図であり、第２図は
第１図のメイン電源の電流−電圧特性を従来の電
源におけるそれと共に示す特性図である。 １０：プラズマアークトーチ、１２：電極、２
４：プラズマ供給装置、５０：メイン電源、５
４：バルブ（加工部材）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ それぞれ先端がノズル部とされたトーチ内筒
   とトーチ外筒とを、該トーチ内筒の中心部に電極
   を配した状態において、同軸的に設け、該トーチ
   内筒内の通路には所定圧力のプラズマガスが供給
   されるようにする一方、該トーチ内筒と前記トー
   チ外筒との間の通路には所定の粉末材料を含んだ
   搬送ガスが供給されるようにすると共に、該トー
   チ該筒の先端ノズル部の周りに軸心方向にシール
   ドガスを略円筒状に吹き出すシールドガス吹出手
   段を設けてなるプラズマアークトーチを用い、か
   かるプラズマアークトーチの前記トーチ内筒内の
   電極の先端に発生するアークを、該トーチ内筒内
   の通路に供給されるプラズマガスによつてプラズ
   マアークと為す一方、かかるプラズマアークを、
   前記電極と所定の加工部材との間に流される溶接
   電流によつて、該電極と該加工部材との間に移行
   せしめると共に、該プラズマアーク内に前記トー
   チ内筒とトーチ外筒との間の通路を通じて該加工
   部材に肉盛されるべき前記粉末材料を供給せしめ
   ることにより、かかる粉末材料を溶融せしめて前
   記加工部材の表面に移送し、所定の肉盛を行うよ
   うにした溶接方法において、前記電極と加工部材
   との間に溶接電流を流すための電源の電流−電圧
   特性を矩形化して、使用電流範囲において定電圧
   化したことを特徴とするプラズマ粉末肉盛溶接方
   法。