JPS60145276A - プラズマ肉盛溶接方法 - 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】 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って粉末材料を肉盛
溶接する方法に関するものである。

パルプ、パイプ、ロール等の加工部材（母材）に所定の
肉盛材（溶加材）を溶接することによって、加工部材表
面の耐摩耗性、耐熱性、或いは耐食性等を改善する肉盛
溶接法が従来より知られている。かかる肉盛溶接法のひ
とつに、プラズマアークトーチ内の電極の先端に発生す
るアーク（パイロットアーク）を、そのトーチ内に供給
されるプラズマガスによってプラズマアークと為す一方
、かかるプラズマアークを、そのトーチと所定の加工部
材との間に供給される溶接電流によって、そのトーチ内
からそれ等トーチ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
料を溶融せしめて前記加工部材の表面に導き、所定の肉
盛を行うようにしたプラズマ肉盛溶接方法がある。

このプラズマ肉盛溶接方法は、上述したように肉盛材と
して粉末材料を用いるところから、肉盛材の材料選択が
広範囲にわたって容易に為され得るとともに、棒材を用
いる場合に比較してその溶融速度が早くなって溶接時間
を短縮化し得る等の優れた特徴を備え、しかも装置の完
全自動化が容易なところから、近年注目を浴びるように
なってきた。

ところで、肉盛溶接とは肉盛材と加工部材表面とを共に
溶融して接合せしめるものであり、この時肉盛材内に溶
融した加工部材が溶は込むが、この肉盛材に対する加工
部材の溶は込み量の割合を希釈率（％）で表す。そして
、かかる希釈率は、これが低過ぎる場合には肉盛材と加
工部材との間の結合強度が損なわれて剥離等の現象が惹
起されるとともに、高過ぎる場合には肉盛材の組織が損
　、なわれて所望する耐熱性、耐摩耗性等の目的とする
特性が得られなくなってしまうρである。このため、上
記プラズマ肉盛溶接方法においても、溶接電流やプラズ
マガス量等を適当に設定することにより、所定の範囲内
（一般に数％以下）の希釈率が得られるようにしている
。

しかしながら、−この希釈率は一般に肉盛溶接の定常状
態、すなわち加工部材表面がプラズマアークによって溶
融せしめられ、かつ加工部材とプラズマアークトーチと
が所定の溶接方向に相対移動している状態を基準として
設定されているため、加工部材が充分に加熱されていな
いスタート部分では所定の希釈率が得られず、ビード形
状が損なわれてしまうのである。また、かかる不都合を
解消するために、粉末材料の供給を所定時間遅らせるよ
うにすることも提案されているが、この場合にはスター
ト部分が全く肉盛溶接されないこととなり、上記不都合
を本質的に解決することにはならないのである。なお、
通常はそのようなスタート部分を切り落として製品化し
ているのであるが、バμプの周縁部に沿って溶接する場
合などの如く円形に肉盛溶接する場合には切り落とすこ
ともできず、上記不都合が顕著となるのである。

ここにおいて、本発明は、以上の如き事情を背景として
為されたものであり、その目的とするところは、肉盛溶
接のスタート部分における肉盛材と加工部材との間の結
合不良を防止し、スタート時から良好なピード形状が得
られるプラズマ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、本発明は、前記
プラズマ肉盛溶接方法において、溶接電流を通電せしめ
た後、粉末材料の供給を行し、）、更にかかる粉末材料
の供給の後に、所定の肉盛溶接方向に、加工部材のプラ
ズマアークトーチに対する相対的な移動を行うようにし
たのである。

ここで、溶接電流の電流値は、プラズマガス量等を考慮
して、従来と同様に、プラズマアークの加工部材への移
行が良好に行われ、かつ肉盛溶接の定常状態において所
定の希釈率が得られるように設定すれば良いのである。

また、かかる溶接電流を通電してプラズマアークトーチ
と加工部材との間にプラズマアークを移行させた後、粉
末材料を供給するまでの遅れ時間は、プラズマアークに
よって加工部材表面が溶融せしめられて、供給された粉
末材料が所定の範囲内の希釈率にて肉盛溶接されるのに
必要な時間であり、加工部材の大きさや材質、或いは上
記溶接電流の電流値やプラズマガス量等を考慮して設定
されることとなる。なお、従来のように溶接電流を通電
すると同時にプラズマアークトーチと加工部材とを溶接
方向に相対移動させ、粉末材料の供給だけを連らせる場
合に比較して、プラズマアークが加工部材の一部分にの
み継続して投射させられるところから、加工部材表面は
速やかに溶融せしめられて、その遅れ時間は短かくて済
む。

さらに、加工部材とプラズマアークトーチとの間の溶接
方向への相対移動（以下、これをキャリッジと称する）
を開始する時間は、少くとも上記粉末材料の供給開始以
後であればスタート部分に肉盛溶接の施されていない部
分が存在することは防止され得るが、粉末材料の供給を
開始した後キャリッジを開始するまでの時間が長過ぎる
と、加工部材の一部分にのみ継続して肉盛溶接が施され
ることとなり、ビード形状が損なわれたり、希釈率が所
定の範囲を超えて高くなってしまう場合がある。このた
め、溶接電流の通電開始後、キャリッジを開始するまで
の遅れ時間は、上記粉末材料の供給開始遅れ時間以上で
あって、かつその２倍以内の範囲内に設定されることが
望ましい。

そして、以上のような諸条件のもとてプラズマ肉盛溶接
を施せば、その定常状態においては勿論、溶接開始当初
のスタート部分においても所定の希釈率で良好なビード
形状をなす肉盛溶接が得られ、特にパルプの円周部に対
する溶接の如く円形に肉盛溶接を施す場合に好都合なの
である。

なお、所定の幅で肉盛溶接を施す場合には、プラズマア
ークトーチと加工部材とを溶接方向に対して直角をなす
方向へ相対的に往復移動（以下、これをオシレートと称
する）せしめる場合があるが、これはキャリッジが行わ
れていない状態においては加工部材の一定の部分がプラ
ズマアークトーチとの間で繰り返し相対移動するだけで
あるため、その幅が特に大きくない限り電接電流の通電
開始と同時に実施しても殆ど不都合はなく、その開始時
間を特に制限する必要はないのである。

次に、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発
明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明することとす
る。

先ず、第１図は本発明が好適に実施され得るプラズマ肉
盛溶接装置の説明図であって、１０はプラズマトーチ（
以下、トーチと称する）の先端部である。かかるトーチ
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的に配設され
ている。

そして、それ等電極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との間には、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２
４に接続されており、アルゴンガス等のプラズマガスが
供給されるようになっている。そして、この通路１８内
に供給されたプラズマガスは、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れる。

また、通路２０は配管３２を介して搬送ガス供給装置３
４に接続されており、更にその配管３２の中間部にはパ
ウダ供給装置８６が接続されて、そのパウダ供給装置３
６から所定の粉末材料が供給されるようになっている。

すなわち、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、トーチ外筒１６の先端に設けられたノ
ズ／Ｌ／３８から外部に噴出せしめられるのである。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、肉盛溶接の目
的或いは加工部材の材質等に応じて適宜選択すれば良い
。また、搬送ガスとしては、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。

一方、トーチ内筒１４およびトーチ外筒１６のノズル３
０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、それ等両ノズル３０および３８を冷却す
るようになっている。また、トーチ外筒１６の先端部に
は、シーｐドガヌ供給装置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
るようになっており、そのシールドガスをトーチ１０の
軸心方向へ略円筒状に吹き出すことにより、溶接部がシ
ールドされるようになっている。

そして、以上のように構成されたトーチ１０の電極１２
とトーチ内筒１４との間には、パイロット電源４８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と
ともに、電極１２と肉盛溶接を施すべき加工部材（母材
）との間には、メイン電源５０から所定の溶接電流が供
給されるようになっている。また、電極１２とトーチ内
筒１４との間には、パイロット電源４８と並列に高周波
発振器５２が介挿されている。

なお、第１図においては、加工部材として舶用バルブ５
４が取り付けられた場合を示しており、このパルプ５４
は一軸回りに所定の速度で回転（キャリッジ）せしめら
れるバッキング５６に固定されている。そして、パルプ
５４の傘部の溶接部５８に所定の表面硬化肉盛溶接を施
すのである。

第１図におけるパルプ５４の傘部溶接部５８に示す破線
は、肉盛溶接された状態を示している。また、上記トー
チ１０は、パルプ５４の回転方向と直角をなす方向へ所
定の幅で往復移動（オシレート）させられるようになっ
ている。

そして、以上のように構成された装置において、肉盛溶
接を行うには、先ず、パイロット電源４８からパイロッ
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との間にパイロットアークを発生させると同時
に、プラズマガス供給袋ば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？ｆ５５２から供給される高周波電流
に同期して発生させられる。

その後、電極１２とバルブプ５４との間にメイン電源５
０から溶接電流を供給し、パルプ５４の溶接部５８に所
定の肉盛溶接を施すこととなるが、これらは第２図のシ
ーケンスフローに従って実行される。

すなわち、先ず最初に溶接電流を通電してトーチ１０内
に形成されているプラズマアークをパルプ５４へ移行さ
せ、その後時間ｔ１、（秒）経過後に搬送ガス供給装置
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／Ｉ／３８から
噴出させる。この噴出された粉末材料はプラズマアーク
によって溶融され、パルプ５４の傘部溶接部５８に肉盛
溶接されるが、この時溶接部５８は既に溶融状態となっ
ているため、供給された粉末材料は良好に溶融結合して
肉盛溶接されるのである。

さらに、このような粉末材料の供給が開始された後、す
なわち溶接電流の通電開始から時間ｔい（秒）より畏い
時間ｊ２（秒）遅れて、パルプ５４のキャリッジが開始
され、パルプ５４の一円周部である溶接部５８に肉盛溶
接が施される。

なお、この肉盛溶接が行われている間、トーチ１０の先
端部からはシールドガスが吹き出されて、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
ようにされているとともに、トーチ１０がオシレートさ
れて所定幅の肉盛溶接が施されるようになっている。

このように、パルプ５４の溶接部５８が予め加熱されて
溶融状態とされた後粉末材料が供給され、更に粉末材料
が供給開始された後パルプ５４がキャリッジさせられる
ようになっているため、プラズマ肉盛溶接開始当初のス
タート部分においても所定の希釈率で好適なビード形状
をなす肉盛溶接が得られるのである。

因みに、８Ｕ［３１材料からなる傘径１５０ｍｍの舶用
パルプ５４に、コルモノイ＃１２の球状粉末材料（−１
００〜＋３５０メツシユ）を肉盛溶。

接する場合について、溶接電流１４０Ａ、溶接電圧４３
ｖ１キャリッジ速度１５ｃｍ／ｍｉｎ％オシレート輻１
５ｍｍ５オシレート回数８０回／ｍｉｎという条件で、
粉末材料の供給開始遅れ時間ｔ１、を２．５秒に設定し
、キャリッジの開始遅れ時藺ｔ２（秒）を種々変更して
、肉盛溶接スタート時における母材の溶は込み量および
ビード形状、並びに終了時においてスタート部分に重ね
て肉盛溶接される重ね部分のビード形状を調べ、その結
果を第１表に示す。なお、オシレート開始時間の影腸を
調べるため、溶接電流の通電開始からオシレート開始ま
での遅れ時間ｊ３　（秒）も種々変更したので、この遅
れ時間ｔｓ（秒）も併せて示すこととする。

第　１　表 ここで、第１表に印されている符号は、以下の意味を有
するものである。

○・・・・・・良好　△・・・・・・やや不良　×・・
・・・・不良第１表から明らかなように、キャリッジの
遅れ時間ｔ２が１．０秒以下の場合、すなわち溶接電流
の通電を開始した後１．θ秒以内にキャリッジを開始す
るとともに２．５秒経過後に粉末材料を供給した場合に
は、バルブ５４のプラズマアークが投射せしめられる部
分が移動して充分に加熱され得ないため、粉末材料の供
給スタート時における母材の溶は込み量（希釈率）が不
足して、母材（バルブ５４）と肉盛材（粉末材料）との
間の結合強度が損なわれてしまうのである。このため、
肉盛溶接の重ね部分においても、良好なビード形状が得
られなくなってしまう。なお、粉末材料の供給を開始す
る前にバルブ５４がキャリッジさせられて、バルブ５４
のスタート部分にはプラズマアークによる加熱のみで肉
盛溶接されていない部分が存在するため、これも重ね部
分のビード形状が損なわれる一因となる。

また、キャリッジの遅れ時間ｔ２が１，５〜２．０秒の
場合には、バルブ５４がプラズマアークによっである程
度加熱された後にキャリッジが開始されることとなるた
め、粉末材料の供給スタート時における母材の溶は込み
量が所定の範囲内となって、母材と肉盛材とが好適に結
合せしめられる。

しかしながら、かかる場合においても粉末材料の供給を
開始する前にパルプ５４がキャリッジさせられるため、
バルブ５４のスタート部分にはプラズマアークによる加
熱のみで肉盛溶接されていない部分が存在するため、重
ね部分のビード形状がやや損なわれてしまうのである。

ここで、上記第１表におけるスタート時のビード形状は
、肉盛溶接のビード形状のみならず肉盛溶接されていな
い部分も考慮して調査したものである。

一方、キャリッジの遅れ時間ｔ２が２．６秒以上で、キ
ャリッジが粉末材料の供給開始後に行われる本発明に従
う溶接方法を実施した場合には、粉末材料の供給スター
ト時における母材の溶は込み量も適当で、かつキャリッ
ジの開始当初から肉盛溶接が施されて、重ね部分におい
ても良好なビード形状が得られる。

なお、キャリッジの開始時間が極端に遅い場合、例えば
遅れ時間ｔ２を５．２秒としたような場合には、粉末材
料の供給開始後キャリッジが開始されるまでの２，７秒
間、バルブ５４の一部分にのみ継続して肉盛溶接が施さ
れることとなり、母材の溶は込み量や肉盛材の溶接量が
過大になって、肉盛材の特性やビード形状が損なわれて
しまう。このため、キャリッジの遅れ時間ｔ２は粉末材
料の供給開始遅れ時間１１０２倍以内の範囲内に設定さ
れることが望ましいのである。

また、オシレートの遅れ時間ｔ３については、溶は込み
量やビード形状に対して特に影響を与えないことが判る
。

以上、本発明を好適に実施し得る装置、およびその装置
を用いて本発明を実施した場合の一例について詳細に説
明したが、本発明はこれ等の記載によって何等制約を受
けるものではない。

例えば、加工部材として自動車用バルブ等その他のバル
ブやロール、パイプ等を用いたり、或いはそれ等の一円
周部のみならず軸方向へ直線状、曲線状に肉盛溶接を施
す場合にも適用し得るのである。

また、上記実施例では粉末材料の供給開始遅九時間ｔ１
を２．５秒に設定した場合について説明したが、これは
バルブ５４の傘径や材質、或いは溶接電流等を考慮して
適宜設定すれば良いのである。

さらに、オシレートは必要に応じて行えば良く、必ずし
も実施する必要がないことは勿論である。

その他、当業者の知識に基づいて種々なる変更、改良等
を施した態様で本発明を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
置の一例を説明する図である。第２図は第１図の装置を
用いて本発明を実施する場合の一例を説明するシーケン
スフローである。 １０：プラズマアークトーチ　１２：電極２４：プラズ
マガス供給装置 ３６：パウダ供給装置 ５４：舶用バルブ（加工部材） ｔｌ　：粉末材料の供給開始遅れ時間 ｔ２　：キャリツジの開始遅れ時間 第２図 Ｔｐｒ間

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　プラズマアークトーチ内の電極の先端に発生す
   るアークを、該トーチ内に供給されるプラズマガスによ
   ってプラズマアークとなす一方、かかるプラズマアーク
   を、該トーチと所定の加工部材との間に供給される溶接
   電流によって、該トーチ内から該トーチと該加工部材と
   の間に移行せしめると共に、該プラズマアーク内に該加
   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、前記溶接電流を通電せしめた後、前記粉末材料の
   供給を行い、更にかかる粉末材料の供給の後に、所定の
   肉盛溶接方向に、前記加工部材の前記プラズマアークト
   ーチに対する相対的な移動を行うようにしたことを特徴
   とするプラズマ肉盛溶接方法。
2. （２）′前記加工部材の相対的な移動が、前記溶接電流
   の通電開始から前記粉末材料の供給開始に至る時間の２
   倍以内の遅れ時間内で、該溶接電流の通電開始後に開始
   される特許請求の範囲第１項記載のプラズマ肉盛溶接方
   法。