(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物の成分と同じ成分を主成分としたパウダと、前記パウダを被加工物へ供給する送給装置と、被加工物との間でプラズマを発生し、前記送給装置から供給されたパウダを集束させて被加工物へ供給する溶接トーチと、前記溶接トーチに電力を供給する電源とを備え、前記溶接トーチからパウダの集束する焦点までの距離を、被加工物と溶接トーチとの距離であるトーチ高さ以上にした溶接装置。
【請求項２】
溶接トーチからパウダの集束する焦点までの距離を、トーチ高さとほぼ等しくした請求項１記載の溶接装置。
【請求項３】
溶接トーチとして、被加工物との間でプラズマを発生する電極と、パウダを被加工物に送給するチップを有する溶接トーチを用いた請求項１または２に記載の溶接装置。
【請求項４】
被加工物と溶接トーチとの間にプラズマを発生し、被加工物の成分と同じ成分を主成分としたパウダを前記溶接トーチから被加工物へ集束させて供給する際に、前記溶接トーチからパウダの集束する焦点までの距離を、トーチ高さ以上にする溶接方法。
【請求項５】
溶接トーチからパウダの集束する焦点までの距離を、トーチ高さとほぼ等しくした請求項４記載の溶接方法。
【請求項６】
被加工物として、少なくとも２つの部材を用い、各部材間に隙間をあけて溶接する請求項４または５に記載の溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は金属材料の溶接において、パウダを溶加材としたプラズマ溶接装置と溶接方法（以下、パウダプラズマ溶接装置およびパウダプラズマ溶接法）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマ溶接法は、アークのエネルギー密度が高いためＴＩＧ溶接法よりも溶接効率を高めることができ、かつ溶接品質もＴＩＧ溶接法に劣らない溶接法である。このプラズマ溶接法に溶加材としてパウダを使用するパウダプラズマ溶接法は、近年被加工物の表面改質のための肉盛溶接法として多用されてきた。
【０００３】
従来、このパウダプラズマ溶接法に使用されるパウダは例えば耐摩耗性を高めるように被加工物とは異なる成分を有していた。（例えば特許文献１参照）
また、トーチ高さを長く設定し、かつパウダ噴出の焦点距離をトーチ高さより短くしていた。（例えば特許文献２参照）
図６は上記従来のパウダプラズマ溶接法での溶接トーチ先端のチップと被加工物との関係を示しており、１０１はチップ、１０２プラズマ孔、１０３はパウダ孔、１０４は電極、１０５は被加工物であり、ｈはトーチ高さ、Ｐはパウダ孔が開口する仮想円の直径、αは相対するパウダ孔の軸線の交差する角度、ｄはその交差点とチップ１０１先端との焦点距離である。
【０００４】
以上のように構成されたパウダプラズマ溶接法について、その動作を説明する。プラズマアークは電極１０４と被加工物１０５との間でプラズマ孔１０２を貫通して発生している。一方、パウダはパウダ孔１０３の開口部よりキャリアガスとともに吐出している。吐出したパウダはプラズマアークの熱で溶融し、被加工物１０５表面上に至る。ここでトーチ高さｈは１０ｍｍ＜ｈ＜２０ｍｍと長くし被加工物の過溶融を防ぐとともに、Ｐおよびαの組み合わせによって決まる焦点距離ｄの範囲をトーチ高さｈの５０〜６０％とし、吐出したパウダをまずプラズマアーク中に導入し、加熱溶融後に被加工物１０５に融着させる。このように配置することでパウダを選択的に溶融し被加工物の溶融を抑制し、被加工物表面に融着したパウダ成分が被加工物成分によって希釈されることを防止している。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−２７７２４６号公報（第２−４頁、第１図）
【特許文献２】
特開平８−３００１５７号公報（第２−３頁、第１図、第２図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来のパウダプラズマ溶接法は、被加工物とは異質な表面改質用の成分を有するパウダを被加工物の表面に融着させる目的のものある。このため、パウダ成分が被加工物成分によって希釈されることでパウダ成分本来の性質が失われたり、双方の成分の化合によって有害な成分が生成されることがないように被加工物の溶融を最小限に止めていた。そのため、被加工物どうしを十分に溶融してお互いを接合する融接には適さないという課題を有していた。
【０００７】
本発明は、複数の被加工物を融接するパウダプラズマ溶接法およびその装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のパウダプラズマ溶接装置および溶接方法は、上記課題を解決するために、被溶接物の成分と同じ成分を主成分としたパウダと、前記パウダを被溶接物へ供給する送給装置と、被加工物との間でプラズマを発生し、前記送給装置から供給されたパウダを集束させて被加工物へ供給する溶接トーチと、前記溶接トーチに電力を供給する電源とを備えており、前記溶接トーチからパウダの集束する焦点までの距離を、トーチ高さと同等もしくはそれ以上にする。この構成により被加工物の加熱とパウダの加熱を同時に行い、結果複数の被加工物を融接することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図２において３は溶接トーチ、１は前記溶接トーチ３に電力を供給する電源、２は前記溶接トーチ３にパウダを供給する送給装置、４は前記溶接トーチ３および前記送給装置２にガスを供給するガス供給装置、５は前記電源１および送給装置２に設定信号を出力する制御装置、６は被加工物である。
【００１０】
以上のように構成された溶接装置について、その動作を説明する。制御装置５はプラズマ電流、パウダ送給量の溶接条件設定値および溶接起動信号を電源１および送給装置２に出力する。送給装置２は制御装置５からのパウダ送給量設定値に従ってパウダ送給量レベルを決定する。電源１は制御装置５から入力する設定値に従って溶接トーチ３への出力電力レベルを決定する。また、電源１は送給装置５からの溶接開始の起動信号を受けると溶接トーチ３に所定の電力を供給するとともに、ガス供給装置４および送給装置２にＯＮ信号を出力する。ガス供給装置４は前記ＯＮ信号を受けて溶接トーチ３にプラズマガス、送給装置２にパウダを溶接トーチ３に送給するためのキャリアガスを供給する。送給装置２は前記ＯＮ信号を受けて所定のパウダ量を溶接トーチ３に供給する。溶接トーチ３は被加工材６との間にプラズマアークを発生維持させるとともに、前記パウダを被加工材に吐出する。
【００１１】
図１は溶接トーチ３の先端部の詳細と被加工物および溶接ビードとの関係を示す関係図である。図１において１４はチップで、電極１２の中心軸に一致する中心軸を有するプラズマ孔７と、プラズマ孔７の中心軸に対して傾いた中心軸を有し同心の仮想円周上に配した複数のパウダ孔８とを有する。９はチップ１４をネジ締結で固定するトーチ本体、１１は送給装置２とトーチ本体９をつなぐパウダ導管、１０はパウダ導管出口につながり、かつトーチ本体先端部に開口するリング形状の溝であるパウダ溜まり、１３は電極１２とトーチ本体９との間にありプラズマ孔７につながるプラズマガス通路、１５はプラズマアーク１６で加熱溶融された溶融プール、Ｗは前記溶融プールの幅、ｈはチップ６の先端と被加工物６との距離であるトーチ高さ、ｄは電極１２の中心軸とパウダ孔８の中心軸との交点とチップ６との先端との焦点距離である。
【００１２】
以上のような構成の動作を説明する。電極１２と被加工物６との間には前記電源１から電力が供給されプラズマアーク１６が発生している。プラズマアークの周囲は前記ガス供給装置４から供給されプラズマガス通路１３、プラズマ孔７を経たプラズマガスが供給されている。プラズマガスとしては純アルゴンガスを使用したが、アルゴンに水素を混合したガス、アルゴンにヘリウムを混合したガスあるいは純ヘリウムガスなどの非酸化性ガスが使用できる。プラズマアーク１６は、前記プラズマガスとプラズマ孔７の壁面で緊縮される。この結果、被加工物６は前記溶融幅Ｗの領域で溶融する。
【００１３】
一方、パウダは前記送給装置２よりキャリアガスによってパウダ導管１１を経てトーチ本体９のパウダ溜まり１０に導入される。パウダ溜まり１０の作用を以下に説明する。その作用はチップとトーチ本体がネジ締結であるためトーチ本体９とパウダ孔８との位置関係が不定になることに対する作用である。仮にパウダ溜まり１０がリング状の溝形状ではなくパウダ孔８同様に仮想同心円周状に配した円筒状の孔であるなら、ネジ締結によってはパウダ孔８とパウダ溜まり１０の位置がずれてしまい、パウダがパウダ溜まり１０に滞留しパウダ孔８に導かれないことが想定できる。このような位置ずれによるパウダ滞留を防止する作用を持たせるためパウダ溜まり１０をリング状の溝形状とした。
【００１４】
パウダ孔８はプラズマ孔７の中心軸に対して傾けた中心軸を持つように設置されているので、パウダ孔８より吐出したパウダは焦点距離ｄの位置で集束する。
【００１５】
本発明の焦点距離ｄとトーチ高さｈの関係について説明する。本発明は複数の被加工物を融接するためにプラズマアーク１６のエネルギーを効率よく被加工物６に加えることが要点である。このために実施の形態１ではプラズマアーク１６によって被加工物６を溶融し、その溶融エネルギーを利用してパウダを溶融付着せしめている。すなわち、焦点距離ｄがトーチ高さｈよりも短い場合、パウダがプラズマアーク１６中に大量に導入されるのでプラズマアーク１６のエネルギーがパウダ溶融に消費され、その分被加工物６に対する溶融エネルギーが減少してしまう。このようなことは複数の被加工物１６に対する溶融不足を起こす原因になり、結果融接ができなくなる。従って、プラズマアーク１６が被加工物６に十分にエネルギーを供給できるよう焦点距離ｄはトーチ高さｈ以上となることが必要である。一方、パウダはプラズマアーク１６によって被加工物６が溶融して生成した溶融プール１５に導入され、溶融プール１５内で溶着し溶接ビードを形成する。従って、パウダを効率よく溶着させるためには溶融プール１５が生成する範囲を表す溶融プールの幅Ｗ内にパウダが吐出できるよう焦点距離ｄを設定する。溶融プールの幅Ｗは、プラズマ電流、トーチ高さｈ、溶接速度などの溶接条件によって異なるので焦点距離ｄの上限はそれらの溶接条件によって変わってくる。溶融プールの幅Ｗが大きい場合は、焦点距離ｄはトーチ高さｈよりも大きくてもパウダ溶着効率は落ちないが、小電流で溶接する場合などで溶融プールの幅Ｗが小さい場合には、焦点距離ｄをトーチ高さｈとほぼ等しくしてパウダ溶着効率を維持する。焦点距離ｄを変更するためにはトーチ本体９を変更する手段とチップ１４を変更する手段とがあるが、コスト面、交換性の面などからチップ１４を変更する方が有利である。図３はチップ１４において焦点距離ｄを変更するための形状パラメータを示す実施例である。図３においてｔはチップ厚、ｒは仮想同心円周上に設けたパウダ孔８の仮想円径、βはパウダ孔８の傾斜角である。焦点距離ｄを変えるためにチップ厚ｔ、仮想円径ｒ、傾斜角βの形状パラメータを変更する。図４に形状パラメータ値と得られた焦点距離ｄと関係例を示す。焦点距離５、７，９ｍｍのものはトーチ高さ５ｍｍ用のチップであり、焦点距離１０，１４ｍｍのチップはトーチ高さ１０ｍｍ用のチップである。なお、パウダ孔はこの場合、仮想円周上に４５°間隔で８個設けた。吐出パウダの均一性から考えると個数が多い方が有利であるが、一方向の直線のみの溶接の場合などでは１個でも適用できる。
【００１６】
図５に被加工物別に使用したパウダの成分例を示す。本発明においては溶融した被加工物とパウダが溶融プール１５内で合金を形成するので、合金成分が溶接結果の劣化を招かないように被加工物と同じ成分のパウダ成分を選定する。溶接中、酸化消費されることを考慮してＳＭ４９０においてはＳｉ、Ｍｎの成分量を、ステンレス鋼においてはＣｒの成分量を被加工材よりも多くした。また、ＳＵＳ４３０において溶接金属部のじん性を向上させるためにＮｂを０．８１％加えた。このように溶接部の改善を目的として被加工物の成分以外の成分で加工物と合金を生成しても溶接部の特性に支障がない成分を支障がない範囲で添加することもできる。
【００１７】
【発明の効果】
以上のように、本発明は被溶接物の成分と同じ成分を主成分としたパウダと、前記パウダを被溶接物へ供給する送給装置と、被加工物との間でプラズマを発生し、前記送給装置から供給されたパウダを集束させて被加工物へ供給する溶接トーチと、前記溶接トーチに電力を供給する電源とを備えており、前記溶接トーチからパウダの集束する焦点までの距離を、被加工物と溶接トーチとの距離と同等もしくはそれ以上にすることにより複数の被加工物を融接することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１におけるトーチ先端部断面と被加工物の位置関係図
【図２】本発明の実施の形態１における装置構成図
【図３】本発明の実施の形態１におけるチップ断面図
【図４】本発明の実施の形態１におけるチップ形状構成図
【図５】本発明の実施の形態１における被加工物ごとのパウダ成分構成図
【図６】従来の特許におけるチップ断面と被加工物の位置関係図
【符号の説明】
１  電源
２  送給装置
３  溶接トーチ
６  被加工物
１２  電極
１４  チップ
ｄ  焦点距離
ｈ  トーチ高さ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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