(57)【要約】【課題】溶接ビードの希釈率が１０％以下と低く、難加工材料や難溶接材料からなる金属粉末も使用できる共に、溶接速度を速くでき、且つ垂直姿勢の金属母材の表面への肉盛溶接も容易に行える粉末肉盛溶接方法を提供する。【解決手段】垂直姿勢とした金属母材Ｗ１の表面に対し、軸方向が該表面に直交する水平姿勢でトーチ１を配置し、該トーチ１の先端に位置するチップ１１の中心部からプラズマアークｐａを放射し、且つ該プラズマアークｐａの先端部付近の上側に肉盛すべき金属粉末ｍｐを上記チップ１１の先端面１２の上部に開口する放出孔９から供給すると共に、上記金属母材Ｗ１あるいは上記トーチ１の何れか一方を垂直方向に沿って移動させて立向下進溶接を行う、粉末肉盛溶接方法。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直姿勢あるいは垂直に近い姿勢とした金属母材の表面に対し、軸方向が該表面に直交するか、あるいは直交に近い水平姿勢でトーチを配置し、
上記トーチの先端に位置するチップの中心部からプラズマアークを放射し、且つ該プラズマアークの先端部付近の上側に肉盛すべき金属粉末を上記チップの先端面の上部に開口する放出孔から供給すると共に、
上記金属母材あるいは上記トーチの何れか一方を垂直方向あるいは垂直に近い方向に沿って移動させて立向下進溶接を行う、
ことを特徴とする粉末肉盛溶接方法。
【請求項２】
軸方向が直交に近い水平姿勢で配置される前記トーチは、垂直姿勢とした前記金属母材の平坦な表面に対し、該トーチの軸心が水平線に対し下側または上側に１０度以内での範囲で傾斜している、
ことを特徴とする請求項１に記載の粉末肉盛溶接方法。
【請求項３】
垂直に近い姿勢とした前記金属母材の平坦な表面は、軸方向を水平姿勢とした前記トーチに対し、側面視において、該トーチよりも上記金属母材の上方の表面部分が垂直線から遠ざかる方向に１０度以内で傾いている、
ことを特徴とする請求項１に記載の粉末肉盛溶接方法。
【請求項４】
前記チップは、前記金属母材の表面に対向する先端面の中心部に前記プラズマアークを放射する放射孔を有すると共に、該放射孔よりも上方の上記先端面の周辺側に肉盛すべき金属粉末を供給する単数または複数の放出孔を有している、
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の粉末肉盛溶接方法。
【請求項５】
前記トーチによる溶接速度は、５〜１２０ｃｍ／分の範囲にある、
ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の粉末肉盛溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属母材の表面に対し、該表面における各種の特性を高めるための金属粉末を肉盛溶接する粉末肉盛溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ごみ焼却炉用のボイラ管の外周面に対し、高耐食性の肉盛層を形成するため、軸方向を垂直姿勢としたプラズマトーチの先端面の中央部からプラズマアークを、水平姿勢とした上記ボイラ管の外周面に垂直にして放射し、該アークの内側へ上記トーチの先端面の周辺側に開口する放出孔から金属粉末を供給すると共に、上記トーチの先端面の最外周辺側の吹き出し口から上記アークの周囲に不活性なシールドガスを円筒状に吹き付けるようして、粉末肉盛溶接を行う高耐食ボイラ肉盛管の製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
尚  上記粉末肉盛溶接方法は、一般に、ＰＴＡ法（Ｐｌａｓｍａ  Ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ  Ａｒｃ  Ｗｅｌｄｉｎｇ）と称されている。
【０００３】
前記特許文献１などで用いられる粉末肉盛溶接方法は、金属粉末から金属母材の表面に肉盛りされた肉盛層（溶接ビード）における前記母材の成分による合金成分の希釈率が約１０％以下と比較的低く、且つ難加工材料や難溶接材料からなる金属粉末でも容易に肉盛溶接できる利点を有している。しかし、かかる粉末肉盛溶接方法では、溶接ワイヤを用いるＭＩＧ溶接などに比べて溶接速度が遅いため、生産性が劣ると共に、肉盛り用の金属粉末を安定供給するために、溶接条件が下向溶接法に限定されている、という問題点があった。
【０００４】
一方、ごみ焼却炉用水冷壁の金属パネルを垂直姿勢で保持し、該金属パネルの表面に対し、該表面での腐蝕減肉を補足するため、シールドガス雰囲気中で溶接ワイヤを高速度で供給しつつ立向下進させてＭＩＧ溶接する立向下進肉盛溶接方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
前記特許文献２に記載されたＭＩＧ溶接による立向下進肉盛溶接方法は、前記粉末肉盛溶接方法に比べて溶接速度が速いため生産性が高く、垂直姿勢の金属母材の表面への肉盛溶接も容易に行える利点を有するが、難加工材料や難溶接材料からなる肉盛溶接には不向きである、という問題点があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１７９８６５号公報（第１〜１３頁、図１）
【特許文献２】特開２０００−８４５６５号公報（第１〜７頁、図１〜５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、背景技術で説明した問題点を解決し、溶接ビードの希釈率（溶接ビード全体の断面積に対する金属母材内部での溶け込み部の断面積の比）が低く、難加工材料や難溶接材料からなる金属粉末も使用できる共に、溶接速度を速くでき、且つ垂直姿勢の金属母材の表面への肉盛溶接も容易に行える粉末肉盛溶接方法を提供する、ことを課題とする。
尚、上記希釈率が低いとは、金属母材の表面よりも突出する溶接ビードにおける余盛の高さが高いこと、および、金属母材内部への溶け込みが浅いことである。
【課題を解決するための手段および発明の効果】
【０００７】
本発明は、前記課題を解決するため、発明者らによる鋭意研究および調査の結果、立向下進肉溶接によって粉末肉盛溶接を行うと共に、ほぼ水平方向に沿って放射されるプラズマアークの内側に供給すべき金属粉末の供給経路を該アークの上方（下進方向の後方）からの経路とする、ことに着想して成されたものである。
即ち、本発明の粉末肉盛溶接方法（請求項１）は、垂直姿勢あるいは垂直に近い姿勢とした金属母材の表面に対し、軸方向が該表面に直交するか、あるいは直交に近い水平姿勢でトーチを配置し、該トーチの先端に位置するチップの中心部からプラズマアークを放射し、且つ該プラズマアークの先端部付近の上側に肉盛すべき金属粉末を上記チップの先端面の上部に開口する放出孔から供給すると共に、上記金属母材あるいは上記トーチの何れか一方を垂直方向あるいは垂直に近い方向に沿って移動させて立向下進溶接を行う、ことを特徴とする。
【０００８】
これによれば、垂直姿勢あるいは垂直に近い姿勢とした金属母材の表面に対し、トーチ（溶接トーチ）をその軸心が直交あるいは直交に近い水平姿勢で配置し、該トーチの先端に位置するチップの中心部からプラズマアークを放射すると共に、該アークの先端部付近の上側に肉盛すべき金属粉末が上記チップの先端面の上部に開口する放出孔から供給される。その結果、上記金属粉末は、重力作用を受けつつ上記プラズマアークの先端の中心部付近である前記金属母材の表面近傍の溶融池に効率良く投入されので、１０％以下の比較的低い希釈率で健全な溶接ビードを形成する立向下進溶接による肉盛り溶接を、比較的速い速度で施すことができる。しかも、上記金属母材あるいは上記トーチの何れか一方を垂直方向あるいは垂直に近い方向に沿って移動するので、該金属母材の表面に対し、垂直方向に沿って形状および厚みがほぼ一定の健全な溶接ビードを安定して形成することが可能となる。
【０００９】
尚、前記金属母材は、例えば、ボイラ管、該ボイラ管を複数本離隔して有する水冷壁パネルなどを構成するための鋼材であり、例えば、クロムモリブデン鋼（低合金鋼）からなり、より詳しくは、ボイラ・熱交換器用合金鋼管（ＪＩＳ：Ｇ３４６２、鋼種記号：ＳＴＢ３４０，ＳＴＢＡ２２，ＳＴＢＡ２４）や、ボイラおよび圧力容器用クロムモリブデン鋼鋼板（ＪＩＳ：Ｇ４１０９、鋼種記号：ＳＣＭＶ２，ＳＣＭＶ３）が例示される。
また、前記金属母材には、平坦な表面を有する平板のほか、鋼管などの湾曲した表面（曲面）を有するものも含まれる。但し、湾曲した表面でも、その半径が大きい場合には、前記トーチの先端付近に隣接する局部的な表面部分は、擬似的な平坦な表面とみなして前記溶接を施すことも可能である。
更に、前記金属粉末は、金属母材の表面に所要の特性を付与するために、前記立向下進溶接によって肉盛溶接され、例えば、耐熱性を付与する場合には、Ｎｉ基やステンレス鋼の合金粉末が、耐摩耗性を付与する場合には、Ｃｏ基の合金粉末が適用される。該金属粉末は、Ａｒなどのキャリアガスによって搬送される。
また、上記Ｎｉ基の合金には、Ｃ−２７６（Ｎｉ−１６％Ｃｒ−１６％Ｍｏ−４％Ｗ−５％Ｆｅ）やインコネル６２５（Ｎｉ−２２％Ｃｒ−１０％Ｍｏ）が含まれ、上記ステンレス鋼には、ＳＵＳ３１６やＳＵＳ３１０などが含まれる。
更に、上記Ｃｏ基の合金には、ステライトＮｏ，６（Ｃｏ−２８％Ｃｒ−４．５％Ｗ−１％Ｃ−１％Ｓｉ）、Ｎｏ，１２（Ｃｏ−２９％Ｃｒ−８．５％Ｗ−１．４％Ｃ−１％Ｓｉ）、およびＮｏ，２１（Ｃｏ−２７％Ｃｒ−０．２５％Ｃ−５．５％Ｍｏ−１．５％Ｓｉ）が含まれる。
また、前記チップの先端面に開口する金属粉末の放出口は、単数または複数であり、その形状は、円形、長円形、楕円形、または円弧形の湾曲形状を含む。
更に、前記チップは、トーチの粉末ノズルと別体で且つ該トーチの先端部にネジ込みなどで取り付ける形態のほか、上記ノズルの先端部に一体に設けた形態としても良い。
加えて、前記プラズマアークおよびキャリアガスによって供給される金属粉末の流れは、前記チップの先端面における周辺側から円筒形状に放射されるＡｒなどのシールドガスによって、外部との間が遮蔽状態とされる。
【００１０】
また、本発明には、軸方向が直交に近い水平姿勢で配置される前記トーチは、垂直姿勢とした前記金属母材の平坦な表面に対し、該トーチの軸心が水平線に対し下側あるいは上側に１０度以内の範囲で傾斜している、粉末肉盛溶接方法（請求項２）も含まれる。
これによれば、垂直姿勢とされた前記金属母材の平坦な表面に対し、トーチの軸心を水平線の下側あるいは上側に１０度以内で傾斜させた姿勢で前記立向下進溶接が行われるので、トーチの軸心を水平線と平行で且つ上記金属母材の平坦な表面と直交する姿勢による場合と同様の粉末肉盛溶接を行うことが可能となる。特に、トーチの軸心を水平線に対して下側に１０度以内で傾斜した姿勢では、上記トーチの軸方向が斜め上向きとなり、重力の作用によって、金属母材の表面付近における上記アークにより形成される溶融池に金属粉末が効率良く投入し易くなるので、一層低い希釈率の溶接ビードを形成することが可能となる。
尚、前記トーチの軸心が水平線に対し下側あるいは上側に１０度を超えて傾斜すると、相当量の金属粉末が金属簿材の平坦な表面に溶着しにくくなるので、係る範囲を除いたものである。
【００１１】
更に、本発明には、垂直に近い姿勢とした前記金属母材の平坦な表面は、軸方向を水平姿勢とした前記トーチに対し、側面視において、該トーチよりも当該金属母材の上方の表面部分が垂直線から遠ざかる方向に１０度以内で傾いている、粉末肉盛溶接方法（請求項３）も含まれる。
これによれば、軸方向を水平姿勢とした前記トーチに対し、前記金属母材の平坦な表面を該トーチよりも上方の表面部分が垂直線から１０度以内の範囲で遠ざかる方向に傾斜させた姿勢で前記立向下進溶接が行われる。その結果、重力の作用も相まって、前記金属粉末を一層低い希釈率による溶接ビードに形成することが可能となる。
尚、水平姿勢のトーチに対し、金属母材の平坦な表面を該トーチよりも上方の表面部分が垂直線から１０度超で遠ざかる方向に傾斜させると、相当量の金属粉末が金属簿材の平坦な表面に溶着し難くなるので、係る範囲を除いたものである。
【００１２】
また、本発明には、前記チップは、前記金属母材の表面に対向する先端面の中心部に前記プラズマアークを放射する放射孔を有すると共に、該放射孔よりも上方の上記先端面の周辺側に肉盛すべき金属粉末を供給する単数または複数の放出孔を有している、粉末肉盛溶接方法（請求項４）も含まれる。
これによれば、チップの先端面から放射されたプラズマアークよりも上方に肉盛すべき金属粉末が供給されるので、該粉末が重力の作用を受けても、上記チップが対向する金属母材の表面付近に位置する上記アークによる溶融池に効率良く投入される。その結果、比較的低い希釈率による溶接ビードを前記金属母材の垂直方向に沿って連続且つ安定して形成することができる。
尚、前記チップの円形の（丸い）先端面の上部において、金属粉末が放出される放出孔の中心は、上記先端面の中心を通過する垂直線から左右に６０度ずつの範囲内(全体の範囲の角度：１２０度以下)、望ましくは垂直線から左右に３０度ずつの範囲内(同上：６０度以下)、より望ましくは垂直線から左右に４５度ずつの範囲内(同上：９０度以下)に複数または単数で開口している。但し、左右に２０度ずつの範囲内(同上：４０度以下)では、放出孔が加工しにくなる難点がある。
また、金属粉末の放出孔は、円形の場合には、その直径を１．０ｍｍ以上とし、長円形や円弧形状の場合には、それらの幅を１．０ｍｍ以上とすることで、肉盛りすべき金属粉末の流動性を確保することが可能となる。一方、プラズマアークの放射孔の直径は、上記放出孔のよりも大径である。
【００１３】
加えて、本発明には、前記トーチによる溶接速度は、５〜１２０ｃｍ／分の範囲にある、粉末肉盛溶接方法（請求項５）も含まれる。
これによれば、金属母材の表面付近に形成される溶融池に対し、適正量の金属粉末を供給できるので、形状が良好で且つ止端部に欠陥のない溶接ビードを上記金属母材の表面に沿って、比較的速い速度で確実に形成することができる。
尚、前記溶接速度が５ｃｍ／分未満になると、金属母材の表面に形成される溶融池が垂れて溶接ビードを形成しにくくなり、一方、前記溶接速度が１２０ｃｍ／分超になると、上記溶融池に対する金属粉末の供給量が過少となり、溶接ビードの止端部に欠陥が生じ得るので、これらを除いた前記範囲としたものである。
また、前記金属粉末は、１．０Ｌ／分以上のキャリアガスにより前記チップの先端面から供給するのが望ましい。
更に、前記金属粉末の平均粒径は、送給性の観点から約６３〜２５０μｍが推奨され、その供給量は、例えば、約３〜２００ｇ／分の範囲が推奨される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明による一形態の粉末肉盛溶接方法の概略を示す垂直断面図。
【図２】（Ａ）〜（Ｃ）は、上記溶接方法に用いるトーチに取り付けるチップの先端面の相互に異なるパターンを示す部分図。
【図３】上記溶接方法の変形形態の概略を示す垂直断面図。
【図４】異なる形態の粉末肉盛溶接方法の概略を示す垂直断面図。
【図５】溶接ビードにおける希釈率を図解する概略断面図。
【図６】比較例の方法に用いた溶接チップの先端面を示す部分図。
【図７】形状が良好な溶接ビードを示す模式的図面。
【図８】形状不良の溶接ビードを示す模式的図面。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下において、本発明を実施するための形態について説明する。
図１は、本発明による粉末肉盛溶接方法の一形態の概略を示す垂直断面図であり、図示のように、予め、垂直姿勢とされた金属母材Ｗ１の表面付近に対し、軸心が直交するように水平姿勢として溶接トーチ（トーチ）１を配置する。
上記トーチ１は、図１に示すように、全体的に円柱形状を呈し、外周側に位置し且つ先端側が先細形状とされた円筒状のシールドキャップ２、該キャップ２の内側に同軸心で配置された円筒状の粉末ノズル５、該ノズル５の中心部を貫通する中空部７の中心部に配置された先尖形状のタングステン電極６、および上記ノズル５の先端側にネジ結合されたチップ１１を備えている。
尚、上記キャップ２、粉末ノズル５、およびチップ１１は、何れも耐熱性の金属素材からなる。また、上記チップ１１は、粉末ノズル５の先端部に一体化にされた形態であっても良い。
上記シールドキャップ２と粉末ノズル５との間には、リング形状のガス送給路３が位置し、その先端にリング形状で開口する放出孔４から、金属母材Ｗ１の表面側に向かって、Ａｒガスなどのシールドガスｓｇが円筒形状に放出される。
【００１６】
また、前記粉末ノズル５の先端側の内部には、冷却水が循環するリング状の中空部５ａが形成され、該ノズル５と隣接するチップ１１とを冷却可能としている。
更に、前記粉末ノズル５およびチップ１１の軸方向に沿っており、且つ前記中空部７の先端側に縮径して開口するプラズマアークｐａの放射孔８よりも上側の位置には、粉末流路１０が水平で且つ先端側では中心寄りに傾斜して貫通している。上記チップ１１の先端面１２に開口する上記粉末流路１０の放出孔９も、当該先端面１２において上記放射孔８よりも上側の位置に開口している。上記粉末流路１０には、Ａｒガスなどのキャリアガスと共に、肉盛りすべき金属粉末ｍｐが送給され、放出孔９から金属母材Ｗ１の表面付近に送給される。
図１に示すように、金属母材Ｗ１とタングステン電極６の間とは、メインアーク電源１５を介して電気的に導通可能されており、上記粉末ノズル５の先端部とタングステン電極６との間は、パイロットアーク電源１６および高周波発生装置１７を介して電気的に導通可能されている。
【００１７】
図２（Ａ）に示すように、チップ１１の先端面１２に開口する金属粉末ｍｐおよびキャリアガスの放出孔９は、内径（直径）が１．０ｍｍ以上であり、上記先端面１２の中心部に開口するプラズマアークｐａの放射孔８よりも上側の周辺部において、一対（２個）が左右対称に開口している。係る一対の放出孔９の中心は、先端面１２の中心を通過する仮想の垂直線から左右に４５度ずつの範囲内（全体の範囲の角度θ１：９０度以下）に位置することが、金属粉末ｍｐを用いた立向下進溶接による肉盛溶接の効率上の観点から最も推奨される。
また、図２（Ｂ）に示すように、前記放出孔９は、チップ１１の先端面１２における放射孔８の開口位置よりも上側の周辺部において、３個を左右対称に開口しても良い。この場合、図示で左右に位置する放出孔９の中心は、先端面１２の中心を通過する仮想の垂直線から左右に６０度ずつの範囲内（全体の範囲の角度θ２：１２０度以下）に位置するようにすることが望ましい。
更に、図２（Ｃ）に示すように、チップ１１の先端面１２における放射孔８の開口位置の真上付近の周辺部に、円弧状にカーブした１個の円弧孔９ａを開口させた形態としても良い。該円弧孔９ａの幅は、１．０ｍｍ以上に設定される。
【００１８】
以下において、図１によって、本発明の粉末肉盛溶接方法を説明する。
前記図２（Ａ）〜（Ｃ）で示した複数あるいは単数の放射孔９（９ａ）を先端面１２に有するチップ１１を含むトーチ１を、図１に示すように、垂直姿勢とされた金属母材Ｗ１の平坦な表面付近に対し、その軸方向が直交するように水平姿勢で配置する。この際、チップ１１の外側に位置するリング形状の前記放出孔４からは、予め、Ａｒガスなどの不活性ガスからなるシールドガスｓｇが円筒状に放出されている。
次に、前記パイロットアーク電源１６の投入に続いてメインアーク電源１５を投入すると、予め、トーチ１の中心部を貫通する中空部７内を放出孔８側に送給されているＡｒガスなどのプラズマガスのうち、放射孔８よりも外側のプラズマガス雰囲気中において、タングステン電極６の先端から金属母材Ｗ１の表面に向かって、側面視で細長い紡錘形状のプラズマアークｐａが放射される。
【００１９】
かかる状態で、図１中の破線で示すように、粉末ノズル５内の粉末流路１０を、Ａｒガスなどのキャリアガスによって送給された金属粉末ｍｐを、チップ１１の先端面１２に開口する前記放射孔９（９ａ）から、上記プラズマアークｐａの上方から該アークｐａの先端部の上側を経てそ中心付近に送り込む。この際、連続供給される金属粉末ｍｐ群は、重力の作用を受けている。その結果、前記金属母材Ｗ１の平坦な表面には、上記プラズマアークｐａの高熱による溶融池が形成され、該溶融池内に金属粉末ｍｐが連続して効率良く投入され、連続して溶融される。
【００２０】
前記の状態を保ちつつ、図１中の白抜きの矢印で示すように、トーチ１を比較的速い速度により下側に移動（下進）させることによって、上記金属粉末ｍｐ群の投入および溶融が、金属母材Ｗ１の平坦な表面の垂直方向に沿って連続して生じるので、金属母材Ｗ１の平坦な表面には、該表面よりも余盛が高く突出した（即ち、希釈率が１０％以下と低い）健全な溶接ビードＢが形成される。この際、トーチ１を溶接方向（下向き方向）と交差する幅方向にジグザグ状などに連続して振る所謂ウィービングを行うと、比較的幅広の溶接ビードＢが得られる。
その結果、健全な溶接ビードＢを金属母材Ｗ１の表面の垂直方向に沿って連続して形成することができる。更に、前記トーチ１を図１の前側または後側にずらして、更に上記のような立向下進溶接による粉末肉盛溶接を連続して行うと、金属母材Ｗ１の表面全体を上記溶接ビードＢの肉盛により覆うことができる。従って、金属母材Ｗ１の表面全体に対し、金属粉末ｍｇの特性に基づく耐食性や耐摩耗性などの特性を付与でき、該金属母材Ｗ１の表面を改質することができる。
尚、水平姿勢とした前記トーチ１を位置固定した状態で、金属母材Ｗ１を垂直方向に沿って上昇するように移動させる形態の立向下進溶接を行っても良い。
【００２１】
また、図３に示すような形態の粉末肉盛溶接方法も本発明に含まれる。
図３に示すように、垂直姿勢とされた金属母材Ｗ１の平坦な表面付近に対し、トーチ１の軸心を水平線に対し下側に１０度以内の傾斜角度θ３を付けて、該トーチ１を斜め上向きに配置する。換言すると、金属母材Ｗ１の表面は、軸心を水平姿勢としたトーチ１に対し、側面視でトーチ１の軸心よりも上側の該金属母材Ｗ１の表面部分を垂直線から遠ざかる方向に１０度以内の傾斜角度θ３で傾斜させても上記と同様になる。
前記同様に、チップ１１の放出孔４からは、予め、シールドガスｓｇが円筒形状に放出され、且つチップ１１の先端面１２の放射孔８からはプラズマアークｐａが紡錘形状に放射されている。かかる状態で、前記同様に、該チップ１１の先端面１２において、図示のように、放射孔８よりも上側に位置する放出孔９（９ａ）からキャリアガスと共に金属粉末ｍｇを、重力の作用を含めて上記プラズマアークｐａの上方から該アークｐａの先端部の上側の経路を経てその中心付近に送り込む。
【００２２】
その結果、図３に示すように、前記同様に希釈率が１０％以下と低く且つ健全な溶接ビードＢを、金属母材Ｗ１の平坦な表面に、垂直方向に沿って連続して形成できる。この際、前記ウィービングを行っても良い。更に、前期同様の溶接トーチ１を図３の前側また後側にずらして、前記同様の立向下進溶接を連続して行うことで、金属母材Ｗ１の表面全体を前記同様の健全な溶接ビードＢにより覆うことができる。
尚、前記トーチ１の軸心を水平姿勢とし、更に、垂直線から後（奥）側に１０度の範囲内で傾斜した金属母材Ｗ１の平坦な表面に対し、前記肉盛溶接を行っても良い。
尚また、軸心を水平姿勢として前記トーチ１を位置固定し、更に、垂直線から後（奥）側に１０度の範囲内で傾斜した金属母材Ｗ１をその平面方向に沿って移動させつつ、該母材Ｗ１の表面に対し前記肉盛溶接を行っても良い。
尚更に、前記のように傾斜した姿勢でトーチ１を位置固定し、金属母材Ｗ１を垂直方向に沿って上昇するように移動させる形態の立向下進溶接を行っても良い。
【００２３】
更に、図４に示すような形態の粉末肉盛溶接方法も本発明に含まれる。
図４中の太い矢印で示すように、例えば、大径の鋼管である金属母材Ｗ２をその円周方向で且つ上向きに回転させ、該金属母材Ｗ２の外周面である表面に対し、その径方向で且つ水平線に沿って、軸心が合致するようにトーチ１を配置する。
前記同様に、トーチ１の先端側の放出孔４からは、予め、シールドガスｓｇが円筒形状に放出され、且つチップ１１の先端面１２の放射孔８からはプラズマアークｐａが紡錘形状に放射されている。かかる状態で、前記同様に、チップ１１の先端面１２において、図示のように、放射孔８よりも上側に位置する放出孔９（９ａ）からキャリアガスと共に金属粉末ｍｇが、重力の作用を含めて上記プラズマアークｐａの上側から該アークｐａの先端部の中心付近に送り込まれる。
【００２４】
その結果、図４に示すように、前記同様に希釈率が１０％以下と低く且つ健全な溶接ビードＢを、金属母材Ｗ２の湾曲した表面に、垂直方向で且つ円周方向に沿って連続して形成することができる。この際、前記ウィービングを行っても良い。更に、鋼管からなる金属母材Ｗ２を円周方向に沿って回転しつつ、軸方向に沿っても徐々に移動させることによって、溶接ビードＢを金属母材Ｗ２の外周面である表面に沿って螺旋状に巻き付けて被覆することができる。
尚、前記同様に円周方向で且つ上向きに回転する金属母材Ｗ２の外周面（表面）に対し、その径方向および水平線と平行とされ、しかも軸心を上記金属母材Ｗ２の径方向よりも若干上側（上向き）に位置させてトーチ１を配置して、前記同様の肉盛溶接を行うようにしても良い。
尚また、前記同様に円周方向で且つ上向きに回転する金属母材Ｗ２の外周面（表面）に対し、その径方向と水平線とに対し、軸心が下側または上側に１０度以内の範囲で傾斜した姿勢でトーチ１を配置して、前記肉盛溶接を行っても良い。
【００２５】
以上のような本発明の粉末肉盛溶接方法によれば、垂直姿勢あるいは垂直に近い姿勢とした金属母材Ｗ１，Ｗ２の表面に対し、トーチ１をその軸心が直交あるいは直交に近い水平姿勢で配置し、該トーチ１の先端に取り付けたチップ１１の中心部からプラズマアークｐａを放射すると共に、該アークｐａの先端部付近の上方に肉盛すべき金属粉末ｍｐが上記チップ１１の先端面１２の上部に開口する放出孔９（９ａ）から供給される。その結果、上記金属粉末ｍｐは、重力作用を受けつつ上記プラズマアークｐａの先端の中心部付近であり且つ前記金属母材Ｗ１，Ｗ２の表面の溶融池に効率良く投入されるので、比較的低い希釈率の健全な溶接ビードＢを形成する立向下進溶接による粉末肉盛り溶接を、比較的速い溶接速度で施すことができる。
しかも、前記金属母材Ｗ１，Ｗ２あるいはトーチ１の何れか一方が垂直方向、円周方向、あるいは垂直に近い方向に沿って移動するので、該金属母材Ｗ１，Ｗ２の表面に対し、垂直方向または円周方向に沿って形状および厚みがほぼ一定に安定した健全な溶接ビードＢを安定して形成することができる。
【実施例】
【００２６】
以下において、本発明の具体的な実施例を、比較例と併せて説明する。
予め、ボイラ用クロムモリブデン鋼（ＪＩＳ Ｇ ４１０９）からなり、厚みや縦・横の寸法が共通する複数枚の鋼板を用意して、平坦な表面を有する金属母材Ｗ１とし、これらの母材Ｗ１を垂直姿勢で拘束した。係る垂直姿勢とされた金属母材Ｗ１に対して、前記図１と同様に、該母材Ｗ１の平坦な表面に対し、５〜１０ｃｍの距離を置いて、軸心が直交するように前記トーチ１を水平姿勢で且つ下降（下進）可能にして個別に配置した。
【００２７】
次いで、ＳＵＳ３１６からなり、平均粒径が約１５０μｍの金属粉末ｍｐを、約２〜２．５Ｌ／分のＡｒガス（キャリアガス）と共に、約６〜８０ｇ／分の供給量により、垂直姿勢の前記金属母材Ｗ１の一部に対しては、前記図２（Ａ）で示した前記トーチ１ごとのチップ１１の先端面１２に開口する左右一対の放出孔９から、互いに共通の条件で横向きに発生させたプラズマアークｐａの先端側に上側から供給して、立向下進溶接を行って実施例とした。
【００２８】
一方、残りの垂直姿勢の金属母材Ｗ１に対しては、図５に示すように、チップ１１ｚの先端面１２の中心部に位置する放射孔８の下側に開口する一対の放出孔９から、上記と同じ金属粉末ｍｐを上記と同じ条件により、上記同様の条件で下向きに発生させたプラズマアークｐａの先端側に、その周辺側から供給して立向下進溶接を行って比較例とした。即ち、上記チップ１１ｚは、図２（Ａ）で示した前記チップ１１とは上下逆にしたものである。
上記実施例および比較例の立向下進溶接をそれぞれ同じ長さで行い、表１に示すように、トーチ１の移動速度（溶接速度）別および溶接電流別により区分した。
尚、表１中の（注）で示す溶接条件（ウィービング幅およびウィービング周波数）は、全て共通にして上記の各溶接を行った。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
表１によれば、立向下進溶接で且つ溶接速度が８〜１００ｃｍ／分の広い範囲であった本発明による実施例１〜８では、溶接速度と金属母材Ｗ１の表面付近に形成される溶融池への金属粉末ｍｐの単位面積当たりの投入量とが適切な関係であったので、希釈率が低く（余盛が高く）形状が良好、あるいは、ほぼ良好で健全な溶接ビードＢが得られた。即ち、実施例１〜８によよれば、溶接速度が比較的遅い場合はもちろん、１００ｃｍ／分と比較的速い場合であっても、何れも良好で健全な溶接ビードＢを得ることができた。
一方、立向下進溶接で且つ前記チップ１１ｚを用いた比較例１〜８のうち、比較例３，４，７，８では、溶接速度が３０ｃｍ／以上と溶接速度が速すぎたため、前記溶融池への金属粉末ｍｐの単位面積当たりの投入量が不足したことによって、希釈率が高く（余盛が低く）形状不良の溶接ビードＢが得られた。
【００３１】
尚、前記希釈率は、図６で模式的に示すように、金属母材Ｗ１の表面に形成される溶接ビードＢにおいて、該表面よりも母材Ｗ１側に位置する溶け込み部ｂ１の断面積Ｙを、該溶け込み深さｄと上記表面よりも外側に突出する余盛ｂ２の断面積Ｘとの合計値で割った割合値である。即ち、該希釈率の割合（％）が低い程、余盛ｂが高くなり、あるいは、溶け込みが浅くなって、形状が良好で且つ健全な溶接ビードＢとなる。
更に、前記希釈率は、溶け込み部ｂ１の断面積Ｙが小さいほど低くなるが、該断面積Ｙが小さ過ぎると剥離が生じ易くなるリスクがある。
前記実施例３による形状が良好な溶接ビードＢの一例を図７に示すと共に、前記比較例３による形状が不良な溶接ビードＢの一例を図８に示した。
以上のような実施例１〜８の立向下進溶接により、本発明の効果が確認できた。
【００３２】
本発明は、以上のような実施の形態や実施例に限定されるものではない。
例えば、金属母材には、パイプ部分と平板部分とが交互に隣接して配設されたボイラの水冷壁や、熱交換器の熱交換壁なども含まれる。
また、金属母材は、鋼材に限らず、Ｎｉ基やＴｉ基などの合金からなるものでも良く、前記金属粉末は、Ｃｏ基やＮｉ基などの合金からなるものでも良い。
更に、前記チップ１１の先端面１２に円形で開口する放出孔９は、比較的大径の１個、あるいは比較的小径の４個以上とし、且つ前記角度θ１または角度θ２の範囲において形成することも可能である。
加えて、前記チップ１１の先端面１２に円弧形状で開口する放出孔９ａは、例えば、長円形や楕円形とし、且つ単数で形成するほか、複数個を併設しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明によれば、溶接ビードの希釈率が低く、難加工材料や難溶接材料からなる金属粉末も使用できる共に、溶接速度を高くでき、且つ垂直姿勢の金属母材の表面への肉盛溶接も容易に行える粉末肉盛溶接方法を確実に提供できる。
【符号の説明】
【００３４】
１……………トーチ
８……………放射孔
９，９ａ……放出孔
１１…………チップ
１２…………先端面
Ｗ１，Ｗ２…金属母材
ｐａ…………プラズマアーク
ｍｐ…………金属粉末
【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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【図７】
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【図８】
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