(57)【要約】【課題】絶縁性が高く、かつ、緻密であり、耐摩耗性に優れた炭化ケイ素セラミックスからなる溶接用セラミックスチップの製造方法を提供する。【解決手段】炭化ケイ素セラミックスチップを成形、焼結させる工程、次いで、得られたかさ密度が２．９ｇ／ｃｍ３以上の焼結体の表面に存在する分解炭素を、５００℃以上１６００℃以下での酸化熱処理またはバレル研磨加工もしくはバレル研削加工により除去する工程とを含むことを特徴とする製造方法を用いる。【選択図】　　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化ケイ素セラミックスからなる溶接用セラミックスチップの製造方法において、
炭化ケイ素セラミックスチップを成形、焼結させる工程、次いで、得られた焼結体の表面に存在する分解炭素を、酸化熱処理により除去する工程とを含むことを特徴とする溶接用セラミックスチップの製造方法。
【請求項２】
前記酸化熱処理は、５００℃以上１６００℃以下で行われることを特徴とする請求項１記載の溶接用セラミックスチップの製造方法。
【請求項３】
炭化ケイ素セラミックスからなる溶接用セラミックスチップの製造方法において、
炭化ケイ素セラミックスチップを成形、焼結させる工程、次いで、得られた焼結体の表面に存在する分解炭素を、バレル研磨加工またはバレル研削加工により除去することを特徴とする溶接用セラミックスチップの製造方法。
【請求項４】
前記焼結体は、かさ密度が２．９ｇ／ｃｍ３以上であることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載の溶接用セラミックスチップの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接用セラミックスチップの製造方法に関し、より詳細には、アーク溶接装置等のトーチに取付けられる溶接用セラミックスチップであって、炭化ケイ素セラミックスからなる溶接用セラミックスチップの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アーク溶接は、接合部界面を溶融するための熱源にアーク熱を利用するものであり、溶接法として多く採用されている。
図１に、従来のアーク溶接装置のトーチ先端部分を模式的に示す。図１に示したように、従来のアーク溶接装置においては、溶接ワイヤ６を送給モータ（図示せず）で溶接トーチ１内に自動的に送給し、溶接用チップ２から電力を供給することによって、溶接部５と溶接ワイヤ６との間にアークを発生させ、溶接部５および溶接ワイヤ６自身を溶融させて接合する。
このアーク溶接に使用されるトーチ１の先端に取付けられている溶接用チップ２は、溶接ワイヤ６への給電とともに、溶接部５へ誘導するガイドの役割も果たすものである。
【０００３】
すなわち、上記のようなトーチでは、溶接ワイヤが溶接用チップ内を送給され、溶接用チップから電流が供給されることによって溶接が行われ、溶接用チップとしては、従来、銅合金製のものが多く使用されていた。
しかしながら、銅合金製の溶接用チップは、溶接ワイヤの送給によって摩耗し、貫通孔の拡大や変形が生じると、溶接ワイヤへの導通不良によってスパーク等が発生し、作業性や生産性が損なわれるという問題点を有していた。
【０００４】
このため、耐摩耗性に優れた素材の開発が要求され、近年、アルミナや窒化ケイ素等のセラミックスを用いた溶接用チップが提案され、作業性や信頼性の向上が図られた。
しかしながら、なお、溶接工程の高速化、品質の向上等に対する要求に十分に応えるまでには至っていない。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−３００７５号公報
【特許文献２】
特開２００１−２５９８４１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようなアーク溶接において、溶接工程の高速化を図るためには、溶接ワイヤを高温に加熱し、その溶融量を増加させることが有効であると考えられるが、上述のように、銅合金製の溶接用チップは、高温での高速な溶接用ワイヤの送給に耐えられるだけの耐摩耗性を有していないため、摩耗が激しく、スパーク等による事故を引き起こすおそれがある。
【０００７】
最近、その対応策として、図２に示すように、トーチ１内の溶接用チップ２が、溶接ワイヤ６へ給電を行うチップ（給電チップ）３と、送給する溶接ワイヤ６を正確な位置へ誘導するガイドチップ４との２チップを組み合わせて構成されたものが提案されている。
図２に示した溶接用チップ２’のうち、ガイドチップ４は、溶接用チップ２’の先端に取付けられ、給電チップ３に比べて、温度変化や溶接ワイヤ６による摩耗等、過酷な条件下で用いられることから、耐熱性、耐摩耗性等に優れたセラミックス材を用いることが好ましい。
【０００８】
さらに、前記ガイドチップ４は、耐熱性、耐摩耗性に加えて、高電気抵抗、すなわち、絶縁性の高いセラミックス材料により構成されることによって、溶接ワイヤ６を、同一の電流で、より高温に加熱することができるため、溶接工程の高速化を図ることができる。
【０００９】
このようなセラミックス材料としては、炭化ケイ素が、窒化ケイ素以上に共有結合性が高い物質であり、２４００℃前後の高い分解温度を有しており、その焼結体であるセラミックスは、耐熱性、特に、高温での耐酸化性や強度特性に優れている。しかも、緻密質のものは、耐摩耗性および耐食性にも優れているため、前記ガイドチップの構成材として好適であると考えられる。
【００１０】
ところが、本来、炭化ケイ素自体は高い電気抵抗を有するにもかかわらず、溶接用セラミックスチップ（ガイドチップ）として成形され、焼結体となったものは、測定スパンを１０ｍｍとしたときの電気抵抗が５００Ω程度と低い値を示す。
したがって、そのままでは、溶接用セラミックスチップ（ガイドチップ）として好適に使用することはできず、炭化ケイ素は、上記の優れた特性にもかかわらず、アルミナや窒化ケイ素等に比べて、溶接用セラミックスチップ（ガイドチップ）の構成材としては、従来用いられていなかった。
【００１１】
そこで、本発明者らは、炭化ケイ素セラミックスチップの電気抵抗、すなわち、絶縁性が低い原因を追究したところ、炭化ケイ素セラミックスチップを焼成する際に分解して生成した炭素が、この溶接用チップの表面に薄層状に存在することが原因であることを突き止め、この表面に存在するカーボンを、溶接用セラミックスチップの形状を損なうことなく除去して、高い絶縁性を得る方法を見出し、本発明を完成するに至った。
【００１２】
本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、絶縁性が高く、かつ、緻密であり、耐摩耗性に優れた炭化ケイ素セラミックスからなる溶接用セラミックスチップの製造方法を提供することを目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る溶接用セラミックスチップの第１の製造方法は、炭化ケイ素セラミックスからなる溶接用セラミックスチップの製造方法において、炭化ケイ素セラミックスチップを成形、焼結させる工程、次いで、得られた焼結体の表面に存在する分解炭素を、酸化熱処理により除去する工程とを含むことを特徴とする。上記酸化熱処理を行うことにより、前記炭化ケイ素焼結体の表面に存在する分解炭素を消滅し、さらに、この炭化ケイ素焼結体表面に酸化膜が形成される。このため、炭化ケイ素セラミックスチップの絶縁性を向上させることができる。
【００１４】
前記酸化熱処理は、５００℃以上１６００℃以下で行われることが好ましい。炭化ケイ素焼結体表面に存在する遊離炭素を完全に消滅させる観点から、上記温度範囲で酸化熱処理を行う。
【００１５】
また、本発明に係る溶接用セラミックスチップの第２の製造方法は、炭化ケイ素セラミックスからなる溶接用セラミックスチップの製造方法において、炭化ケイ素セラミックスチップを成形、焼結させる工程、次いで、得られた焼結体の表面に存在する分解炭素を、バレル研磨加工またはバレル研削加工により除去することを特徴とする。
バレル研磨加工またはバレル研削加工により、炭化ケイ素焼結体の表面処理を行うことによって、表面の遊離炭素を研削除去し、炭化ケイ素セラミックスチップの絶縁性を向上させることができる。しかも、小型で筒状の炭化ケイ素セラミックスチップの表面を、均一かつ精密に平滑化することができる。
【００１６】
本発明においては、前記焼結体は、かさ密度が２．９ｇ／ｃｍ３以上であることが好ましい。
溶接用セラミックスチップには、溶接ワイヤの高速供給に耐え得るだけの耐摩耗性が要求されるため、緻密性に優れていることが好ましいことによる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をより詳細に説明する。
本発明に係る溶接用セラミックスチップの第１の製造方法は、炭化ケイ素セラミックスチップを成形、焼結させる工程を経て、次いで、得られた焼結体の表面に存在する分解炭素を、酸化熱処理により除去する工程とを含むことを特徴とするものである。
上記酸化熱処理を行うことにより、炭化ケイ素焼結体表面に存在する分解炭素を消滅し、さらに、この炭化ケイ素焼結体表面に酸化膜が形成される。このため、炭化ケイ素セラミックスチップの絶縁性を向上させることができる。
【００１８】
上記炭化ケイ素セラミックスチップに用いられる炭化ケイ素焼結体の製造方法は、特に限定されるものではない。
例えば、まず、平均粒径０．３μｍ〜数μｍ程度の炭化ケイ素粉末に、焼結助剤としてホウ素系または炭素系の化合物を添加し、さらに、フェノール樹脂等のバインダーを添加して、エタノール、水等の分散媒中で撹拌し、スラリーとする。
そして、乾燥、造粒し、これをＣＩＰ、一軸プレス等のプレス成形により筒状、フランジ付Ｔ字型筒状等の所定の溶接チップ形状に成形する。
次いで、アルゴンガス、窒素ガス等の不活性ガス雰囲気中、２１００〜２２８０℃程度で、常圧焼成して炭化ケイ素焼結体を作製することができる。
【００１９】
そして、本発明に係る第１の方法においては、上記により得られた炭化ケイ素焼結体を、酸化雰囲気中で加熱処理する。この酸化熱処理によって、上記焼成により分解生成した炭化ケイ素焼結体表面の遊離炭素が酸化除去され、さらに、この炭化ケイ素焼結体表面に酸化膜が形成される。
【００２０】
このときの酸化熱処理温度は、５００℃以上１６００℃以下であることが好ましく、より好ましくは１０００℃以上１５００℃以下である。
熱処理温度が５００℃未満である場合、前記炭化ケイ素焼結体表面に存在する遊離炭素を完全に消滅させることができず、溶接電流が不安定となり、良好な接合部を得ることが困難である。
また、５００℃以上であれば、遊離炭素を完全に消滅することは可能であるが、そのためには数十時間のかなりの熱処理時間を要するため、生産性やコスト等の効率化の観点から、１０００℃以上１５００℃以下で酸化熱処理を行うことがより好ましい。これにより、表面電気抵抗が１０６Ω以上と高い絶縁性を有する炭化ケイ素セラミックスチップが得られる。
なお、熱処理時間は、加熱炉の性能や雰囲気条件等によって異なるが、通常、温度が高いほど、短時間でよい。
【００２１】
また、本発明に係る溶接用セラミックスチップの第２の製造方法は、上記第１の製造方法の場合の同様にして、炭化ケイ素焼結体を作製した後、その炭化ケイ素焼結体の表面に存在する遊離炭素を、バレル研磨加工またはバレル研削加工により除去することを特徴とするものである。
バレル研磨加工またはバレル研削加工によれば、遊離炭素を研削除去し、しかも、小型で筒状の炭化ケイ素セラミックスチップの表面を均一かつ精密に平滑化することができる。
【００２２】
前記バレル研磨または研削の方法は、特に限定されるものではなく、セラミックスの研磨加工において通常用いられるバレル研磨加工法を適用することができる。
例えば、樽状の研磨槽（バレル）の中に、研磨対象物である炭化ケイ素焼結体と、バレル石と研磨砥粒からなる研磨メディアと、水または油等の液媒体を入れ、バレルを回転させて、研磨対象物を研磨・光沢仕上げする、いわゆる回転バレル法により行うことができる。
また、その他に、バレルを振動させる振動バレル法等も適用することができる。
【００２３】
前記研磨メディアを構成するバレル石は、直径１〜３ｍｍ程度のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ジルコニア（ＺｒＯ２）等からなるセラミックスボールが一般に用いられる。また、研磨砥粒としては、粒径１０μｍ以下のダイヤモンド粉、炭化ホウ素粉、炭化ケイ素粉、アルミナ粉、ジルコニア粉等が用いられる。
【００２４】
加工条件は、バレル回転数、バレル収容量、研磨対象物と研磨メディアの容積比、液媒体の量等に応じて、適宜設定される。
研磨メディアの投入量は、研磨対象物同士の衝突頻度、バレル石の大きさ、変形の度合い等により適宜設定されるが、一般に、研磨対象物の２〜１０倍、バレル容積の５０〜６０％である。
【００２５】
上記バレル研磨加工またはバレル研削加工による炭化ケイ素焼結体の表面研削量は、厚さ５μｍ以上であることが好ましい。これにより、表面電気抵抗が１０３Ω以上と高い絶縁性を有する炭化ケイ素セラミックスチップが得られる。
研削量が厚さ５μｍ未満である場合、炭化ケイ素焼結体表面に存在する遊離炭素を完全に除去することができず、溶接電流が不安定となり、良好な接合部を得ることが困難である。
【００２６】
本発明においては、上記成形、焼成工程により得られた炭化ケイ素焼結体のかさ密度は、２．９ｇ／ｃｍ３以上であることが好ましい。
かさ密度が２．９ｇ／ｃｍ３未満である場合、耐摩耗性が劣るため、炭化ケイ素セラミックスチップは短時間で摩耗し、溶接ワイヤの芯振れ幅が大きくなり、正確な溶接位置への溶接ワイヤの送給が困難となり、良好な溶接部を得ることができない。
溶接用セラミックチップは、溶接ワイヤの高速供給に耐え得るだけの耐摩耗性を有することが必要であることから、かさ密度は３．０５ｇ／ｃｍ３以上であることがより好ましい。
【００２７】
なお、前記成形工程においては、焼結助剤が添加されるが、これは、炭化ケイ素の焼結助剤であれば、特に制限されるものではない。具体的には、炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）、アルミニウム（Ａｌ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等が挙げられる。この中でも、特に、Ｂ−Ｃ系助剤である炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）を用いることが好ましく、この場合の添加量は、炭化ケイ素に対して０．１重量％以上１．０重量％以下であることが好ましい。
【００２８】
上記のように、本発明によれば、炭化ケイ素セラミックス焼結体を酸化熱処理またはバレル研磨等により、表面処理を施すことにより、絶縁性に優れ、低電流でより高温に加熱することができる溶接用セラミックスチップを得ることができる。
この場合、酸化熱処理またはバレル研磨等のいずれの方法でも、上記効果を奏することができるが、酸加熱処理による場合の方が、クラックの低減を図ることができるため、バレル研磨等による場合よりも耐久性に優れた溶接用セラミックスチップとすることができるため好ましい。
【００２９】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づきさらに具体的に説明するが、本発明は下記の実施例により制限されるものではない。
［実施例１］
炭化ケイ素（ＳｉＣ）粉末に、バインダーと、焼結助剤として炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）を炭化ケイ素に対して０．５重量％、炭素（Ｃ）を炭化ケイ素に対して４重量％添加して、エタノール中で約２４時間撹拌後、乾燥、造粒を行った。
その後、プレス成形により、外径８ｍｍ、内径１．７ｍｍ、長さ３０ｍｍの筒状の成形体を得た。
得られた成形体を、アルゴン雰囲気中、２２００℃で１時間、常圧焼成して、かさ密度３．１４ｇ／ｃｍ３の筒状の炭化ケイ素焼結体を得た。
この炭化ケイ素焼結体について、酸化雰囲気中、最高１３５０℃で５時間保持する酸化熱処理を行った。この熱処理により、焼結体表面に存在する分解炭素を酸化除去させ、さらに、焼結体表面に酸化膜を形成させ、炭化ケイ素セラミックスチップを作製した。
得られた炭化ケイ素セラミックスチップについて、テスタを用いて、長さ１０ｍｍにおける表面電気抵抗を測定した。
また、この炭化ケイ素セラミックスチップをアーク溶接装置に装着して、溶接電流を２００Ａに設定し、溶接部のビード幅８．５ｍｍ、溶け込み深さ２６ｍｍ、予盛高さが２．０ｍｍのときの溶接ワイヤ送給速度を測定した。
次に、溶接ワイヤの送給速度が１０００ｃｍ／ｍｉｎのときの溶接電流を測定した。
そして、この条件で、２００回繰り返し溶接試験を行った後の溶接ワイヤの芯振れ幅を測定した。
さらに、セラミックスチップの耐久性試験として、溶接試験を継続したところ、４００回以上の溶接試験でも不良は発生しなかった。
これらの測定結果をまとめて表１に示す。
【００３０】
［実施例２］
実施例１と同様にして、筒状の炭化ケイ素焼結体を作製した。
この炭化ケイ素焼結体を、バレル研磨機を用いて表面を５μｍ以上研磨して、焼結体表面に存在する分解炭素を除去して、炭化ケイ素セラミックスチップを作製した。
得られた炭化ケイ素セラミックスチップについて、実施例１と同様に、各測定を行った。
なお、耐久性試験の結果、溶接回数が３５０回で、セラミックスチップに亀裂が発生した。
これらの測定結果をまとめて表１に示す。
【００３１】
［比較例１］
実施例１と同様にして、筒状の炭化ケイ素焼結体を作製した。
この炭化ケイ素焼結体について、表面未処理のままで、炭化ケイ素セラミックスチップとした。
この炭化ケイ素セラミックスチップをアーク溶接装置に装着して、溶接電流を２００Ａに設定し、実施例１と同様に、溶接ワイヤ送給速度を測定した。
その結果、電流が安定せず、良好な接合部を得ることができなかった。
これらの測定結果をまとめて表１に示す。
【００３２】
［比較例２］
図１に示したような従来型の銅合金製溶接用チップを用いて、実施例１と同様に、各測定を行った。
これらの測定結果をまとめて表１に示す。
【００３３】
【表１】
2004098077.tif 000002
【００３４】
表１に示したように、酸化熱処理またはバレル研磨加工を行った炭化ケイ素セラミックスチップ（実施例１、２）は、表面電気抵抗が大きく、高い絶縁性を有するものであることが認められた。
また、実施例１、２においては、溶接電流が２００Ａのときの溶接ワイヤ送給速度は１０００ｃｍ／ｍｉｎと高速であり、このときのアークは安定し、ビード形状も良好であり、スパッタによる溶着等も少なく、溶接部は良好な状態であった。
さらに、溶接試験を２００回繰り返し行った後も、いずれも、溶接ワイヤの芯の振れ幅は小さかった。
また、酸化熱処理した炭化ケイ素セラミックスチップ（実施例２）の方が、バレル研磨加工を行ったものよりも耐久性に優れていることが認められた。これは、バレル研磨加工によって、チップ表面に微細なクラックが無数に発生し、それが亀裂の原因となったものと考えられる。
【００３５】
一方、表面未処理の炭化ケイ素セラミックスチップ（比較例１）は、絶縁性に劣り、これを用いて、良好に接合を行うことは困難であった。
また、従来型の銅合金製チップを用いた場合（比較例２）は、酸化熱処理またはバレル研磨加工を行った炭化ケイ素セラミックスチップ（実施例１、２）に比べて、溶接電流が２００Ａのときの溶接ワイヤ送給速度は遅く、速度を大きくするためには、溶接電流もさらに大きくする必要があった。
また、銅合金製チップ（比較例２）は、実施例１、２に比べて、溶接ワイヤの振れ幅が大きく、チップ先端の摩耗が大きく、耐久性にも劣るものであった。
【００３６】
［実施例３〜６、比較例３］
実施例１と同様にして、筒状の炭化ケイ素焼結体を作製した。
この炭化ケイ素焼結体について、酸化熱処理温度を、表２の実施例３〜６、比較例３に示す温度とし、それ以外については、実施例１と同様にして、それぞれ酸化熱処理を行い、炭化ケイ素セラミックスチップを作製した。
得られた各炭化ケイ素セラミックスチップについて、テスタを用いて、長さ１０ｍｍにおける表面電気抵抗を測定した。
また、これらの炭化ケイ素セラミックスチップを、アーク溶接装置に装着し、溶接試験を行った。
これらの測定結果を、実施例１と併せて、表２にまとめて示す。
【００３７】
【表２】
2004098077.tif 000003
【００３８】
表２に示したように、酸化熱処理温度が５００℃の場合（実施例３）は、処理時間が５時間では不十分であったが、数十時間酸化熱処理を行うことにより表面電気抵抗が増大し、溶接用セラミックスチップとして十分に使用可能なものとなった。
したがって、酸化熱処理温度が５００℃以上１５００℃以下である場合（実施例１、３〜５）には、高い絶縁性を有する炭化ケイ素セラミックスチップが得られ、良好な溶接を行うことができた。
なお、１６００℃で酸化熱処理した場合（実施例６）には、溶接性等については問題ないものの、経済性の観点からは、１５００℃以下であることがより好ましい。
これに対して、４００℃で酸化熱処理した炭化ケイ素セラミックスチップ（比較例３）は、電流が安定せず、良好な溶接が困難であった。
【００３９】
【発明の効果】
本発明に係る溶接用セラミックスチップの製造方法によれば、絶縁性が向上し、低電流でより高温に加熱することができる溶接用セラミックスチップを得ることができる。
したがって、本発明により得られた溶接用セラミックスチップを用いることによって、高速で、良好な溶接を行うことが可能となる。
特に、本発明において、酸化熱処理を施す方法の場合には、より耐久性に優れた溶接用セラミックスチップが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の銅合金製溶接用チップを備えたトーチを模式的に示した断面図である。
【図２】セラミックスチップを用いた溶接用チップを備えたトーチを模式的に示した断面図である。
【符号の説明】
１　トーチ
２、２’　溶接用チップ
３　給電チップ
４　ガイドチップ（セラミックスチップ）
５　溶接部
６　溶接ワイヤ
【図１】
2004098077.tif 000004
【図２】
2004098077.tif 000005