JPH0683901B2 - スパッタ付着防止型溶接用トーチノズル - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ガスシール式溶接装置のトーチノズルの改良
に係わり、更に詳しくはトーチノズルをスパッタの付着
し難い形状となとともに、その表面にスパッタ付着防止
処理を施したスパッタ付着防止型溶接用トーチノズルに
関する。

〔従来の技術〕

従来のガスシール式溶接用トーチノズルは、円筒状銅製
ノズル基材の表面にアルミニウム又はクロムを拡散浸透
させて被覆層を形成した所謂カロライジング処理及びク
ロマイジング処理を施したもの、あるいは表面に硬質ク
ロムめっきをしたものが提供されている。しかし、1000
℃以上にも達するスパッタがトーチノズルの先端部に衝
突すると、該先端部に瞬間的に溶着若しくは焼付き等に
より付着し、該トーチノズルの温度を、アークからの輻
射熱と協同して約400℃程度にまで昇温させ、基材の劣
化を促進させるばかりでなく、ノズルの先端部にスパッ
タが付着して目詰まりが起こると、シールドガスの流出
を阻害して溶着金属の中に空気が入って酸化及び窒化現
象による欠陥溶接が生じる。また本来は電気絶縁されて
いるトーチノズルと溶接棒がスパッタの付着で短絡され
スパークが発生して、該トーチノズルの表面が損傷し、
その損傷によって更にスパッタの付着を促進させる。そ
こで、定期的に溶接作業を停止してスパッタの除去作業
が必要となる。特に多数の溶接箇所を同時に制御して溶
接する自動溶接機においては、作業能率を高める上で障
害となっているトーチノズルの先端部へのスパッタの付
着は解決すべき最大課題である。

一方、先端部を耐熱性、滑動性に優れたセラミックスで
形成した溶接用トーチノズルも一部使用されているが、
スパッタの付着は比較的防止できるものの、高温で焼成
する等製造工程が複雑で高価である。

従って、安価でしかもスパッタの付着が極度に少ないス
パッタ付着防止型溶接用トーチノズルの開発が望まれて
いた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところ
は、従来の金属製トーチノズルの形状をスパッタが付着
し難く且つ付着しても剥離し易い形状となすとともに、
ノズル基材に表面処理を施し、ノズル表面の滑落性を向
上させてスパッタの付着を極度に防止し且つ付着しても
自重により容易に剥離し得る安価で耐久性の高いスパッ
タ付着防止型溶接用トーチノズルを提供する点にある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、前述の問題解決のために、先端部内周に先端
方向へ向かって拡開したテーパー面を形成してなるガス
シール式溶接用の金属製トーチノズルの表面に、めっき
処理にてニッケルとフッ素系高分子化合物を共析した複
合めっき層を形成してなるスパッタ付着防止型溶接用ト
ーチノズルを構成した。

そして、ノズル表面に硬質クロムめっき処理して形成し
たクロム層の上に前記複合めっき層を形成することが好
ましい実施例である。ここで、前記フッ素系高分子化合
物として、ポリテトラフルオロエチレン、ポリクロロト
リフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、テトラフ
ルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体か
ら選択した１種又は２種以上のものを用い、更に前記複
合めっき層の厚みを数μｍ〜30μｍとしてなることが特
に好ましい。

〔作用〕

以上の如き内容からなる本発明のスパッタ付着防止型溶
接用トーチノズルは、先端部内周に先端方向へ向かって
拡開したテーパー面を形成してなるガスシール式溶接用
の金属製トーチノズルの表面に、めっき処理にてニッケ
ルとフッ素系高分子化合物を共析した複合めっき層を形
成することで、ノズル先端部の内周に形成したテーパー
面のスパッタの滑落効果と相乗して、フッ素系高分子化
合物の素材自体がもつ非接着性及び低摩擦性、又は高温
での軟化性によって、アーク発生部から飛散する溶融金
属、即ちスパッタのノズル先端部への付着を防止し且つ
付着しても滑落性がよいので溶融金属の自重により容易
に剥離させることができるものである、それにより、高
温状態のスパッタのノズル先端部での滞留時間が短くな
り、該スパッタからノズル先端部への熱の伝達が少な
く、その上熱伝導性の良い金属製ノズルを用い且つ複合
めっき層がニッケルをマトリックスとしてその中にフッ
素系高分子化合物が分散した状態であり熱伝導性が比較
的良いので、内部に流れるシールドガスにより、また水
冷を伴うトーチノズルでは冷却水により、速やかに冷却
されて熱が集中することがなく、該トーチノズルの温度
上昇も少なく、金属と比較して低温度で溶融するフッ素
系高分子化合物を有する複合めっき層の熱損傷も少ない
のである。

〔実施例〕

次に添付図面に示した実施例に基づき更に本発明の詳細
を説明する。

第１図は本発明に係わるスパッタ付着防止型溶接用トー
チノズルの使用状態を図式的に示した省略断面図であ
り、略円筒形の金属製トーチノズル１の中心部に、ノズ
ル先端部２方向へ順次送り出される溶接棒３を配し、該
溶接棒３の先端と溶接物4,4の接合部５間にアーク６を
発生させて、溶接棒３の先端部を溶融し、前記接合部５
の溶融部７に順次供給して溶接するものである。そし
て、前記トーチノズル１の内部からノズル先端部２方向
へ炭酸ガス、アルゴン及びヘリウム等のシールドガス８
を噴出することで、空気から前記アーク６及び溶融部７
を完全に遮断して、該溶融部７の酸化及び窒化による欠
陥溶接を防止するとともに、前記シールドガス８雰囲気
中で安定にアーク６を発生させている。この場合、アー
ク６の衝撃により前記溶融部７から溶融金属が飛散し、
即ちスパッタが発生して、前記ノズル先端部２の内外面
に該スパッタ９が衝突する現象が生じる。

そこで、本発明は、ガスシール式溶接用の金属製トーチ
ノズル１のノズル先端部２の内周に、先端方向へ向かっ
て拡開したテーパー面Ｔを形成し、該トーチノズル１の
表面に、めっき処理にてニッケルとフッ素系高分子化合
物を共析した複合めっき層16を形成し、スパッタの溶着
又は焼付き等の付着を防止してなることを要旨としてい
る。

第２図（ａ）及び（ｂ）は、金属製ノズル基材10にスパ
ッタ付着防止のための表面処理を施して得られた表面の
断面構造をそれぞれ示している。尚、表面処理する前
に、ノズル基材10の表面に光沢ニッケルめっき又は表面
研磨を施すことが好ましい。

第１実施例 第２図（ａ）に示す如く、ニッケルめっき液中に、ポリ
テトラフルオロエチレン、ポリクロロトリフルオロエチ
レン、ポリフッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン
−ヘキサフルオロプロピレン共重合体から選んだ１種又
は２種以上のもののフッ素系高分子化合物微粒子14を界
面活性剤で分散させためっき液を用いて、ノズル基材10
の表面にめっきを行ってニッケル15とフッ素系高分子化
合物微粒子14を共析させて複合めっき層16を形成する。
この複合めっき層16は、前記フッ素系高分子化合物微粒
子14がニッケル15中に点在分散した状態となり、その厚
さは数μｍ〜30μｍに設定されている。また、複合めっ
き層16中のフッ素系高分子化合物微粒子14の含有量は、
10〜40体積％であり、更に好ましくは15〜25体積％にな
るように設定する。

第２実施例 第２図（ｂ）に示す如く、ノズル基材10の表面に硬質ク
ロムめっきを施してクロム層17を形成し、その上に前記
第２実施例で示したフッ素系高分子化合物微粒子14とニ
ッケル15の複合めっき層16を形成する。

以上に述べた実施例の中で、特に第２実施例として示し
た金属製ノズル基材10の表面に硬質クロムめっきを行
い、その上にフッ素系高分子化合物微粒子14とニッケル
15の複合めっき層16を形成する表面処理を施したトーチ
ノズル１と、従来の金属製ノズル基材10の表面にクロマ
イジング処理、カロライジング処理及び硬質クロムめっ
き処理をそれぞれ施したトーチノズルとを比較実験した
結果を以下に述べる。

第３〜７図は、同一の使用条件で、各トーチノズル1,…
のノズル先端部２へのスパッタ９の付着状態を比較した
図面であり、第３〜５図の（ａ）は従来タイプのトーチ
ノズル１の側面図、（ｂ）はノズル先端部２の拡大斜視
図であり、第6,7図は本発明のトーチノズル１の断面図
である。

サンプル 第３図（ａ），（ｂ）は、銅製のノズル基材10の表面に
従来のクロマイジング処理を施したトーチノズルの使用
後の状態を示したものである。それによると、ノズル先
端部２とその内面にスパッタ９が強固に付着しており、
該トーチノズル１の冷却後でもスパッタ９は容易に剥離
せず、ペンチやニッパーでも全く除去することが困難で
あり、ノズル先端部２の表面状態もやや悪くなってい
る。

サンプル 第４図（ａ），（ｂ）は、銅製のノズル基材10の表面に
従来のカロライジング処理を施したトーチノズルの使用
後の状態を示したものである。それによると、サンプル
と同様にノズル先端部２とその内面にはスパッタ９が
付着しており、サンプルに比べてスパッタ９は剥離し
易いが、剥離した後のノズル先端部２の表面はノズル基
材10の銅が現れているとともに、トーチノズル１の表面
に無数の微細な凹部が生じており、表面処理が破壊され
たことを意味している。

サンプル 第５図（ａ），（ｂ）は、銅製のノズル基材10の表面に
従来の硬質クロムめっきを施して、厚さ20μｍのクロム
層を形成したトーチノズルの使用後の状態を示したもの
である。それによると、サンプルと同様にノズル先端
部２とその内面にスパッタ９が強固に付着しており、ま
たノズル先端部２が溶損し、スパッタ９の付着によって
該ノズル先端部２と溶接棒３とが短絡してスパークが発
生したことを意味し、トーチノズル１が高温になって側
面が熱により変色している。

サンプル 第６図は、ノズル先端部２の内周に先端方向へ向けて拡
開したテーパー面Ｔを形成してなる銅製のノズル基材10
の表面に本発明の第２実施例で示した表面処理を施した
トーチノズルの使用後の状態を示したものである。この
表面処理は、ノズル基材10の表面に硬質クロムめっきを
行い厚さ20μｍのクロム層17を形成し、その上にフッ素
系高分子化合物微粒子14とニッケル15を共析させて厚さ
８μｍの複合めっき層16を形成し、また該複合めっき層
16の前記フッ素系高分子化合物微粒子14の含有量を約20
体積％となして、金属めっきの強度及び熱伝導性とフッ
素系高分子化合物の非接着性及び低摩擦性又は軟化によ
る変形性を備えたものである。それによると、ノズル先
端部２の内周に形成したテーパー面Ｔのスパッタ９の滑
落効果と相乗して、使用後のノズル先端部２の外面及び
内面は、全くスパッタ９の付着がなく使用前の光沢を保
持し、処理した表面の劣化は全く生じてない。尚、ノズ
ル先端部２の内面には使用中にスパッタ９が一時的に付
着するが、ただちに該スパッタ９の自重により容易に剥
離した。このように、トーチノズル１のノズル先端部２
における高温のスパッタ９の滞留時間が短いので、該ト
ーチノズル１の温度の上昇は少なく、内部を流れるシー
ルドガス８及び外部の空気により、フッ素系高分子化合
物の融点である327℃以下の温度に保たれていて、表面
の劣化が殆ど生じないものと思われる。

サンプル 第７図は、複合めっき層16の厚さを15μｍとした以外は
前記サンプルと同じ表面処理を施したトーチノズルの
使用後の状態を示したものである。それによると、使用
後のノズル先端部２の外面は、前記サンプルと同様に
全くスパッタ９の付着がなく、使用前の光沢を保持し、
処理した表面の劣化は殆ど生じてなく、またノズル先端
部２の内面には使用中にスパッタ９が一時的に付着する
が、やはりただちに該スパッタ９が自重により剥離す
る。しかし、前記サンプルと比較して剥離性はやや劣
り、更に内面の表面状態が僅かに劣化している。

しかして、以上の各サンプルを同一条件で比較実験した
結果、サンプル〜に対応する従来の溶接用トーチノ
ズル１は、そのノズル先端部２にスパッタ９が強固に付
着し、該スパッタ９も容易に剥離しないばかりか、トー
チノズル１の表面状態も大きく劣化して使用前の状態を
止めてなく、更にノズル基材10の一部が露出したり、溶
損したりしており、付着したスパッタ９を除去しても再
度使用し得る表面状態ではなく、仮に再使用したとして
もスパッタ９の付着はより激しく短時間で使用できなく
なる。それに対し、サンプル及びに対応する本発明
の溶接用トーチノズル１は、ノズル先端部２に全くスパ
ッタ９が付着せず、また一時的に内面に付着しても該ス
パッタ９は自重により容易に剥離するだけであるので、
トーチノズル１へのスパッタ９、即ち溶融金属からの熱
伝達は少なく、即ち該トーチノズル１の温度上昇は少な
く、そのため表面の劣化も殆ど生じないのである。

また、前述のようにトーチノズル１の表面にスパッタ９
が殆ど付着せず、該トーチノズル１の温度上昇も少ない
ので、ノズル基材10として熱伝導性が特に良い銅を用い
なくても、単価の安い鉄を用いることも可能である。
尚、サンプルとを比較すれば、前記複合めっき層16
の厚みが薄い方のサンプルが若干優れていることがわ
かるが、これは複合めっき層16からクロム層を介してノ
ズル基材10への熱伝導性が良いためであると推測され
る。前記複合めっき層16の厚みをより厚くしても、めっ
き液を多く使用するだけでスパッタ９の付着防止効果は
それに見合っただけ向上しないので、その上限は厚さ30
μｍ程度であり、一方厚さが数μｍ以下では複合めっき
層16の強度が弱く、めっき処理における厚みの制御も難
しくて実用的でない。従って、複合めっき層16は、数μ
ｍ〜30μｍの厚さで形成することが好ましいのである。

尚、本発明に係るスパッタ付着防止方法は、前記したよ
うな溶接用トーチノズルに限らず、溶接位置の付近でス
パッタの飛散する範囲内にあって、スパッタの溶着若し
くは焼付き等の付着が生じて本来の機能を損なうもの、
例えばコンタクトチップ及び溶接用治具等に適用でき、
この場合、本発明で採用した表面処理のみを行うこと
で、充分にスパッタ付着の防止作用が期待できる。

また、トーチノズル１のノズル先端部２の内周に前記の
如くテーパー面Ｔを形成するとともに、図示しないが該
ノズル先端部２の外周にも前記テーパー面Ｔより傾斜の
少ないテーパー面を形成すれば、前記同様か又はそれ以
上のスパッタ付着防止効果を達成できるものである。

〔発明の効果〕

以上にしてなる本発明のスパッタ付着防止型溶接用トー
チノズルによれば、先端部内周に先端方向へ向かって拡
開したテーパー面を形成してなるガスシール式溶接用の
金属製トーチノズルの表面に、めっき処理にてニッケル
とフッ素系高分子化合物を共析した複合めっき層を形成
してなるので、ノズル先端部の内周に形成したテーパー
面のスパッタの滑落効果と相乗して、フッ素系高分子化
合物の素材自体のもつ非接着性及び低摩擦性又は軟化に
よる変形性によってトーチノズルの表面を、溶融金属、
即ちスパッタの滑落性が高い状態にすることができ、そ
れによりアーク発生部から飛散するスパッタのノズル先
端部への付着を防止し且つ一時的に付着してもスパッタ
の自重により容易に剥離することができる。しかも、ス
パッタのノズル先端部での滞留時間が短いので、該スパ
ッタからノズル先端部への熱の伝達が少なく、更に熱伝
導性の良い金属製ノズルを用い且つ複合めっき層がニッ
ケルをマトリックスとしてその中にフッ素系高分子化合
物が分散した状態であり熱伝導性が比較的良いので、熱
が金属製ノズルを伝達して拡散し易くて熱の集中がな
く、即ち該トーチノズルの温度上昇も少なく、それによ
って金属と比較して低温度で溶融するフッ素系高分子化
合物を有する複合めっき層の熱損傷も最小限に抑制で
き、耐久性の向上が図れるのである。

溶接用トーチノズルは、スパッタの付着やアークからの
熱輻射によって高温度になるので、従来から提案されて
いるように、ノズル先端部の表面にフッ素系高分子化合
物を単に塗布し、焼成しても、短時間ではスパッタの付
着防止効果はあるものの、長期間における耐久性に劣
り、実用的ではない。それに対して本発明を実施したト
ーチノズルによれば、そのノズル先端部の温度は、熱電
対による測定では100℃程度までしか昇温しない良好な
結果を得ており、スパッタの付着を防止し、その上表面
の熱劣化を少なくすることができ、従来の製品と比較し
て約10倍の耐久性を達成することができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のスパッタ付着防止型溶接用トーチノズ
ルの使用状態を図式的に示した省略断面図、第２図
（ａ）及び（ｂ）はトーチノズルの表面処理状態を図式
的に示した部分断面図、第３図から第７図は各種表面処
理を施したトーチノズルの使用後におけるスパッタ付着
状態を示したもので、第３図（ａ）は従来のクロマイジ
ング処理したトーチノズルのスパッタ付着状態を示した
側面図、第３図（ｂ）は第３図（ａ）のトーチノズル先
端部の拡大斜視図、第４図（ａ）は従来のカロライジン
グ処理したトーチノズルのスパッタ付着状態を示した側
面図、第４図（ｂ）は第４図（ａ）のトーチノズル先端
部の拡大斜視図、第５図（ａ）は従来の硬質クロムめっ
き処理したトーチノズルのスパッタ付着状態を示した側
面図、第５図（ｂ）は第５図（ａ）のトーチノズル先端
部の拡大斜視図、第６図及び第７図は本発明の表面処理
したトーチノズルの使用後のスパッタ付着状態を示した
もので、第６図はノズル基材表面に厚さ20μｍのクロム
層を形成しその上に厚さ８μｍの複合めっき層を形成し
たトーチノズルの縦断面図、第７図はノズル基材表面に
厚さ20μｍのクロム層を形成しその上に厚さ15μｍの複
合めっき層を形成したトーチノズルの縦断面図である。 1:トーチノズル、2:ノズル先端部、3:溶接棒、4:溶接
物、5:接合部、6:アーク、7:溶融部、8:シールドガス、
9:スパッタ、10:ノズル基材、14:フッ素系高分子化合物
微粒子、15:ニッケル、16:複合めっき層、17:クロム
層、T:テーパー面。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】先端部内周に先端方向へ向かって拡開した
   テーパー面を形成してなるガスシール式溶接用の金属製
   トーチノズルの表面に、めっき処理にてニッケルとフッ
   素系高分子化合物を共析した複合めっき層を形成してな
   ることを特徴とするスパッタ付着防止型溶接用トーチノ
   ズル。
2. 【請求項２】ノズル表面に硬質クロムめっき処理して形
   成したクロム層の上に前記複合めっき層を形成してなる
   特許請求の範囲第１項記載のスパッタ付着防止型溶接用
   トーチノズル。
3. 【請求項３】前記フッ素系高分子化合物として、ポリテ
   トラフルオロエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレ
   ン、ポリフッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン−
   ヘキサフルオロプロピレン共重合体から選択した１種又
   は２種以上のものを用いてなる特許請求の範囲第１項又
   は第２項記載のスパッタ付着防止型溶接用トーチノズ
   ル。
4. 【請求項４】前記複合めっき層の厚みを数μｍ〜30μｍ
   としてなる特許請求の範囲第１項又は第２項記載のスパ
   ッタ付着防止型溶接用トーチノズル。