JPS61245978A - セラミツク被覆ト−チノズルおよびその製造方法 - 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】 〔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忙すぐれた
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、スパッタ飛散にさ
らされることになる。鋼のアーク溶接の除虫じるスパッ
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、この銅合金とスパッタが物理的
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、このスパッタの付着堆積が進む
と、シールドガスの流れが乱れ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。

このため付着スパッ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。

このようなスパッ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ック層を設け
るなどが提案されているが、前者においてはスパッタと
の反応性の問題、また後者においてはセラミック膜の剥
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った。

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法によりセラミックを被覆する
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
のスパッタ付着の問題はある程度解決されたが、セラミ
ック被覆のもう一つの大きな目的である溶接ふく射熱の
しゃ断効果の点では、前記出願の考案ではＣＶＤ法を用
いてセラミック被覆を行っているため、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
ゃ断効果が得られず、通常鋼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った。更にＣＶＤ
法によるセラミック被覆においては、ノズル基体を５０
０℃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
において問題となっていた前述のとおりのスパッタ付着
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ック被覆を施した場合、セ
ラミック被覆の膜厚を０．５■程度までの溶接中のふく
射熱のしゃ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、５■以下である場合はその密着性も
特に強く、かつセラミッ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、トーチノズル表面に超音波洗浄又はフロン＋
超音波洗浄処理を施した後、必要に応じてサンドブラス
ト等による酸化皮膜除去した後にニッケルクローム合金
などの耐酸化性金属溶射被覆を施し、次にプラズマ溶射
法により、好ましくは０．５　ｍ以下の厚さのセラミッ
ク被覆層を形成し、最後に好ましくは２０８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ックプ
ラズマ溶射層を表面に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１０表面にスパ
ッタと熱化学反応を起しにくいセラミック被覆層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
、スパッタとトーチノズル表面の熱化学反応によるスパ
ッタ付着堆積が防止できるとともに、第４図（ロ）ｋ示
すような表面凹凸によるスパッ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ック被覆
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０．５露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ゃ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着るしく長くす
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外５が付着している。油脂外が付
着した状態で、これにセラミッ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ッ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
から油脂外を完全に飛散除去することができず、第３図
０）の如く炭素５状態でセラミック被覆層３に巻込んで
しまう。このセラミッ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ック被覆層の割れ、あるい
は剥離の原因になる。

従って、プラズマ溶射によりセラミックを被覆する場合
は、超音波洗浄又はフロン＋超音波洗浄などにより基体
表面から油脂外を予め除去しておくことは、セラミック
被覆層の強度を向上させるうえで重要である２ また、ガスシールドアーク溶接用トーチノズル基体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ック被覆を施
した場合第３図（ロ）に示す如く基体１とセラミック被
覆層３の間に酸化物層７が残存することになり、これが
セラミック被覆層の剥離の原因となるため、基本表面の
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
ことはセラミッ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ッ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％程度と着るしく剥離強度
が低いことが確認された。

更に、トーチノズル表面の酸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ｆ９に示すようにニッケル−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、セラミッ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、セラミッ
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６０
００〜１００００℃であるが、特に酸化条件下（空気中
）では火焔距離が短かく、かつセラミック粒子の粒径も
小さいこともあって、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
溶接用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、ＣＶ
Ｄ法又はＰＶＤ法を適用してセラミック被覆を施した場
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に用いられるトーチ
ノズルは通常Ｃｕ　−Ｎ　ｉ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
たがって従来法のようにＣＶＤ法又はＰＶＤ法によりセ
ラミック被覆を施す場合にはセラミック被覆後頁に溶体
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ッ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、前記従来法におけるようなセラミック被覆後の再度
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ッ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
ッ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ック被覆層を形成することがで
き、ふく射熱をしゃ断し焼鈍軟化を防止するに充分な１
００４〜２００μの厚さのセラミッ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ック層としては、市
販のいずれのセラミッ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、８ｉＮ、系、Ｔｉｅ、系、ＡＩ、０゜系、Ｃｒ、０
．系、Ｃｒ、０．−８ｉｎ、系およびＢＮ系セラミック
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ズいる。

すなわち、前述のとおり、アーク溶接中に、高温球体の
スパッタ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ップ表面に付着する。このス
パッタの付着の態様を調査してみると、コンタクトチッ
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大きな要因となってい
ることが判明した。

スパッタ付着を考えるとき、素材に関してはスパッタと
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ッ
タ付着が促進され、除去が困難になる。ＣＶＤ法又はＰ
ＶＤ法を適用する場合は、基体表面を平滑忙してからセ
ラミッ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本表面
粗度が粗くかつプラズマ溶射によって溶融セラミック球
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
述のとおりのスパッタ付着が起き易い。

したがって本発明の如くプラズマ溶射によるセラミック
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Ｋよっ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ッタ
粒のかかえ込みＫよる付着を防止できるとともにまたと
え、スパッタ粒６が基体表面に一旦付着してもその付着
は第４図（イ）ｋ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、２０８以下にすれば前記効果
が得られるが、スパッタ付着量を特に少なくシ、かつ付
着スパッタの除去を容易にするためｋ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〜
０．６４残部鋼からなる銅−ニッ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
次の工程でセラミック被覆を施した。

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ＡＩ、　Ｏ，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ＡＩ、０３被覆層３を形
成し、最後１ｙｓｉｃ系＋１８０のサンドペーパーで研
磨処理し平滑な表面のＡＩ、０．被覆アーク溶接用を作
成した。

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法によってＡＩ、０．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条件で２４時間使用し、そのス
パッ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Ｋかかるガスシールドアーク溶接用トーチノズ
ルにおけるスパッタ付着量が最も少ないことがわかる。

溶接条件：　２４　Ｖ　、　２４０　Ａ、　”）イヤ速
度６００ｘ／ｍ溶接長さ　１００ｍ７個（１日当り６０
０個）〈実施例２〉 実施例１と同様に銅−ニッケル合金で作成したアーク溶
接用コンタクトチップ基体に超音波洗浄および／または
（超音波子フロン）洗浄して、さらに酸化皮膜の破壊除
去処理を施した後、Ｎ１Ｈｓ。

ｉＣｒ：２０１のニッケル−クロム合金粉末（粒度−１
０５〜＋４５声）を下記条件下で溶射被覆した後、実施
例１と同様にＡＩ、Ｏ，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。

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によっ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ッタ付着量について
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により【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
にセラミッ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。

〈実施例３〉 銅−べＩＪ　ＩＪ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
でニッケル−クロム合金な溶射被覆した。

次に、該溶射被覆したトーチノズルを、真空チャンバー
中の回転軸に固定して真空チャンバーを真空にし、つい
でＡｒで置換する溶射直前チャ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Ｓｉ、Ｎ、系セラミックをプラズマ溶射
を施し、最後に実施例１と同様の研磨処理を施してＳ輸
Ｎ、系セラミッ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。

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った結果は次のと
おりであった。

〈実施例４〉 以下プラズマ溶射材料としてＡＩ、　０３−　Ｔｉｅ２
゜Ｔｉｅ、　、　Ｃｒ、　Ｏ，、Ｃｒ、　０３−８ｉｎ
２およびＢＮを選択し、実施例１および実施例２と同様
の工程でセラミック被覆を施したものについてスパッタ
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。

上段　実施例１ 下段　実施例２ 〔発明の効果〕 以上詳細に説明したとおり、本発明は、セラミック被覆
という表面材質の変換および表面の平滑化によりスパッ
タ付着量を減少させるばかりでなく、従来のＣＶＤまた
はＰＶＤ法によるセラミック被覆処理で問題となってい
た被覆処理中の焼鈍軟化およびセラミック被覆層の厚さ
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
よって加速される摩耗の問題を同時に解決したものであ
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
がスパッタ付着による目づまりおよび付着スパッタの除
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ック被覆層を有する
トーチノズルを示す図、第３図はプラズマ溶射セラミッ
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
へのスパッ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ック層、４・・・耐酸化性金属層
、５・・・炭素、６・・・スパッタ、７・・・酸化物層
。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）ガスシールド溶接に用いられ、ガス噴出口を形成
   するトーチノズルにおいて、該トーチノズルが表面に研
   磨されたプラズマ溶射セラミック被覆層を有することを
   特徴とするセラミック被覆トーチノズル。
2. （２）前記プラズマ溶射セラミック被覆層の厚さが０．
   ５ｍｍ以下であることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載のセラミック被覆トーチノズル。
3. （３）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プラズマ溶射法によりセラミ
   ック被覆層を形成し、次に該セラミック被覆層に研磨処
   理を施すことを特徴とするセラミック被覆トーチノズル
   の製造方法。
4. （４）前記セラミック被覆層の厚さが０．５ｍｍ以下で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第３項記載のセラ
   ミック被覆トーチノズルの製造方法。
5. （５）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
   除去からなることを特徴とする特許請求の範囲第３項又
   は第４項記載のセラミック被覆トーチノズルの製造方法
   。
6. （６）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セラミック被覆層を形成した
   後、該セラミック被覆層に研磨処理を施すことを特徴と
   するセラミック被覆トーチノズルの製造方法。
7. （７）前記耐酸化性金属がニッケル−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６項記載のセラミ
   ック被覆トーチノズルの製造方法。