(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌ：０．０２５〜１．０％（ｍａｓｓ％、以下同じ）を含有し、残部Ｃｕおよび不純物からなる銅合金基材を高温加熱処理することにより該銅合金基材の表面を内部酸化して、銅合金基材の表面に平均厚さ５〜５００μｍで、アルミナ０．０５〜１．７％を含有する耐火物分散強化銅の層を形成したことを特徴とする溶接トーチ用部材。
【請求項２】
銅合金基材がさらにＡｇ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐ、Ｎｉ、Ｚｎのうちの１種または２種以上を合計量で０．００１〜１．０％含有することを特徴とする請求項１記載の溶接トーチ用部材。
【請求項３】
Ａｌ：０．０２５〜１．０％を含有し、残部Ｃｕおよび不純物からなる銅合金基材を、酸素分圧が０．１〜１００Ｐａの雰囲気中で７５０〜９５０℃の温度に高温加熱処理して、銅合金基材の表面を内部酸化し、銅合金基材の表面に平均厚さ５〜５００μｍで、アルミナ０．０５〜１．７％を含有する耐火物分散強化銅の層を形成することを特徴とする溶接トーチ用部材の製造方法。
【請求項４】
銅合金基材がさらにＡｇ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐ、Ｎｉ、Ｚｎのうちの１種または２種以上を合計量で０．００１〜１．０％含有することを特徴とする請求項３記載の溶接トーチ用部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接用トーチ部材、詳しくは、コンタクトチップ、ノズルなど、ガスシールドアーク溶接、特にＭＡＧ（Metal Active Gas) およびＭＩＧ（Metal Inert Gas)アーク溶接用のトーチ部材、およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスシールドアーク溶接用トーチの先端部には、コンタクトチップが取り付けられ、該コンタクトチップを囲撓するようにコンタクトチップと同心にノズルが配設され、電極ワイヤがコンタクトチップへ供給され、シールドガスがノズルとコンタクトチップとの間に供給されるよう構成されている。
【０００３】
従来、コンタクトチップやノズルの構成材料としては、純銅やクロム銅、ジルコニウム銅などの耐熱、高導電性銅合金基材が使用されているが、これらの材料は５５０℃程度の比較的低温度で軟化するため、溶接時の高温加熱で軟化し易く、コンタクトチップの場合、軟化による摩耗、変形が激しくなると、ワイヤが繰り出される孔が変形してワイヤとコンタクトチップとの接触が断続的となり、アークが不安定となって溶接が困難になるという難点がある。
【０００４】
また、トーチ部材には、溶接時に１０００℃以上の高温で飛散する被溶接材のスパッタが付着し、スパッタがノズル内面やコンタクトチップ外面に付着した場合にはシールドガスの正常な流れを妨げ、コンタクトチップの先端に付着した場合にはコンタクトチップのワイヤ供給孔を塞いでワイヤの供給を停止するという問題がある。
【０００５】
スパッタの付着を防止できるカーボンノズルの使用も試みられているが、カーボンノズルは高価であるとともに割れ易いという欠点がある。ノズルにセラッミックをライニングする手段もあるが、製作が面倒でコスト的にも不利であり、スパッタ除去の際にセラミック層を破損するおそれもある。近年、とくにロボットを用いた溶接機が増加しており、無人で、出来るだけ長期にわたり高品位な溶接を行えるようにすることが要求されており、このような観点から、耐熱性がさらに優れ、溶接時に軟化することなく、スパッタも付着し難い溶接用トーチ部材の開発が強く望まれている。
【０００６】
上記の要求を満たすものとして、コンタクトチップ、ノズルなどのガスシールドアーク溶接用トーチ部材を、銅または銅合金のマトリックス中にアルミニウム酸化物の粒子を分散させてなるアルミナ分散強化銅により形成することが提案されている。（実開平５−７２９６２号明細書）アルミナ分散強化銅は、１０００℃近い高温に曝されても殆ど軟化しない特性を有しており、スパッタの付着防止効果もある。
【０００７】
しかしながら、アルミナ分散強化銅は、例えばアトマイズ法によりＣｕ−Ａｌ合金粉末をつくり、合金粉末の一部を高温酸化し、Ｃｕ−Ａｌ合金粉末と高温酸化したＣｕ−Ａｌ合金粉末とを混合、圧縮して銅容器内に封入し、熱間で加工することにより所定形状にするという粉末冶金法（ＰＭ法）による複雑な工程を経て製造されるため、製造コストが高く、溶接用トーチ部材のような頻繁に交換する消耗材に適用するには困難性がある。
【０００８】
所定のアルミニウムを含有するＣｕ−Ａｌ合金を酸素含有雰囲気中で高温加熱処理して内部酸化し、銅マトリックス中に酸化アルミニウム（アルミナ）を分散したアルミナ分散強化銅を得る方法もあるが、内部酸化の進行が遅いため、実生産において、トーチ部材全体を内部酸化してアルミナ分散強化銅とするためには長時間を要することとなりコスト上の問題は解決されていない。さらに、アルミナ分散強化銅は電気伝導率が十分でないという難点がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の問題点を解消するために、ガスシールドアーク溶接用トーチ部材にアルミナ分散強化銅を適用した場合の効果と量産コストとのバランスについて実験、検討を行うとともに、アルミナと同等の効果を有する他の分散材についても検討した結果としてなされたものであり、その目的は、優れた耐熱性、耐摩耗性、耐スパッタ付着性をそなえ、さらに十分な導電性も兼備し、コスト的にも満足すべき溶接用トーチ部材を提供することにある。また、素材が、ＰＭ法によらず従来のＩＭ法により製造でき、特定の表面層のみを内部酸化することにより耐熱性など前記の特性をそなえた溶接用トーチを製造する方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための請求項１による溶接トーチ用部材は、Ａｌ：０．０２５〜１．０％を含有し、残部Ｃｕおよび不純物からなる銅合金基材を高温加熱処理することにより該銅合金基材の表面を内部酸化して、銅合金基材の表面に平均厚さ５〜５００μｍで、アルミナ０．０５〜１．７％を含有する耐火物分散強化銅の層を形成したことを特徴とする。
【００１１】
請求項２による溶接トーチ用部材は、請求項１において、銅合金基材がさらにＡｇ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐ、Ｎｉ、Ｚｎのうちの１種または２種以上を合計量で０．００１〜１．０％含有することを特徴とする
【００１２】
請求項３による溶接トーチ用部材の製造方法は、Ａｌ：０．０２５〜１．０％を含有し、残部Ｃｕおよび不純物からなる銅合金基材を、酸素分圧が０．１〜１００Ｐａの雰囲気中で７５０〜９５０℃の温度に高温加熱処理して、銅合金基材の表面を内部酸化し、銅合金基材の表面に平均厚さ５〜５００μｍで、アルミナ０．０５〜１．７％を含有する耐火物分散強化銅の層を形成することを特徴とする。
【００１３】
請求項４による溶接トーチ用部材の製造方法は、請求項３において、銅合金基材がさらにＡｇ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐ、Ｎｉ、Ｚｎのうちの１種または２種以上を合計量で０．００１〜１．０％含有することを特徴とする。
【００１５】
本発明の溶接トーチ用部材においては、銅合金の表面に内部酸化による平均厚さ５〜５００μｍの耐火物粒子分散強化銅の層を形成する。耐火物粒子分散強化銅としては、０．０５〜１．７％のアルミナを含有するアルミナ分散強化銅が好適である。
【００１６】
内部酸化による耐火物粒子分散強化銅の層厚は平均５〜５００μｍの範囲が好ましく、５μｍ未満では耐熱性、耐摩耗性およびスパッタとの反応防止性が十分でなく、５００μｍを越えると、内部酸化に要する時間が長くなり、それ以上の耐摩耗性も期待できなくなる。
【００１７】
溶接トーチ用部材の表面層のアルミナ分散強化銅中のアルミナ含有量は０．０５〜１．７％の範囲が好ましく、０．０５％未満では耐熱性、耐摩耗性およびスパッタとの反応防止性が十分でなく、１．７％を越えると、内部酸化に要する時間が長くなるとともに、トーチ部材の中央部のＣｕ−Ａｌ合金部の電気伝導率および熱伝導率が低下する。
【００１８】
銅合金基材には、またＡｇ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐ、Ｎｉ、Ｚｎのうちの１種または２種以上を合計量で０．００１〜１．０％含有させることにより耐熱性（軟化温度の向上）および強度を改善することができる。０．００１％未満ではその効果が十分でなく、１．０％を越えて含有すると、耐熱性向上効果が飽和するとともに、トーチ部材の中央部の銅合金基材の導電性が低下する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明による溶接用トーチ部材の製造方法は、Ａｌ：０．０２５〜１．０％含有し、残部Ｃｕおよび不純物からなる銅合金、または上記の銅合金にさらにＡｇ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐ、Ｎｉ、Ｚｎのうちの１種または２種以上を合計量で０．００１〜１．０％添加した銅合金の鋳塊を、熱間押出、圧延、抽伸など通常の低合金銅の加工工程に従って加工し、コンタクトチップ、ノズルなど溶接用トーチ部材に切削、切削−鍛造などの方法で成形する。
【００２０】
成形された溶接用トーチ部材を、好ましくは、酸素分圧が０．１〜１００Ｐａの雰囲気中で７５０〜９５０℃の温度に加熱保持することにより高温加熱処理して、部材の表面を内部酸化し、銅合金基材の表面に前記元素の酸化物が分散した耐火物粒子分散強化銅の層を形成する。
【００２１】
銅合金材料を、通常の雰囲気で高温に加熱した場合、例えばＣｕ−Ａｌ合金の場合には、表面にＣｕＯ、Ａｌ2 Ｏ3 を含む厚い酸化皮膜が形成されるが、酸素分圧が０．１〜１００Ｐａの雰囲気中で７５０〜９５０℃の温度域に加熱保持することにより、上記の厚い酸化皮膜を形成させることなく内部酸化し、アルミナなどの耐火物粒子が分散した内部酸化層を形成することができる。
【００２２】
酸素分圧が０．１Ｐａ未満の雰囲気では酸素の供給が不十分となって本発明の範囲の内部酸化層が形成し難く、酸素分圧が１００Ｐａを越えると前記の厚い酸化皮膜が形成され易くなる。加熱温度が７５０℃未満では内部酸化の進行が遅く、本発明の内部酸化層が形成し難く、９５０℃を越えると、酸化物粒子が粗大化して耐熱性向上に寄与しないサイズとなり易い。
【００２６】
【実施例】
以下、本発明の実施例を比較例と対比して説明する。
実施例１
Ａｌ：０．２％を含有し、残部Ｃｕと不純物からなる銅合金およびＡｌ：０．２％、Ａｇ：０．１％を含有し、残部Ｃｕと不純物からなる銅合金を、溶解、鋳造し、得られた鋳塊を熱間押出、圧延、抽伸加工することにより、直径９ｍｍの棒材および外径２０ｍｍ、内径１６ｍｍの管材とした。
【００２７】
上記の棒材および管材を、汎用ＭＩＧ溶接用コンタクトチップおよびノズルの形状に切削により成形し、脱脂後、１Ｐａの酸素分圧に調整した酸素とアルゴンガスとの混合ガス中で９００℃の温度で１時間加熱、保持し、表面にアルミナ分散強化銅の層を形成させた。アルミナ分散強化銅の層厚を断面組織と硬さ試験により測定したところ１００μｍであった。
【００２８】
得られたコンタクトチップおよびノズルを用いて、ＳＰＣＣ板（厚さ３ｍｍ）のＭＩＧ溶接（２時間連続のＹ型開先突き合わせ溶接）を行い、従来のクロム銅（Ｃｕ−１％Ｃｒ）と対比し、クロム銅のチップ摩耗量およびスパッタ付着量をそれぞれ１とした場合のチップ摩耗量、スパッタ付着量を相対評価した。結果を表１に示す。表１に示すように、本発明に従う試験材は、従来のクロム銅と比べ、チップ摩耗量は１／１０、スパッタ付着量は１／５と大きく改善される。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
実施例２
Ａｌ：０．２％を含有し、残部Ｃｕと不純物からなる銅合金およびＡｌ：０．２％、Ｐ：０．００５％、Ｎｉ：０．１％を含有し、残部Ｃｕと不純物からなる銅合金を溶解、鋳造し、得られた鋳塊を、熱間押出、圧延、抽伸加工することにより、直径９ｍｍの棒材の中心に直径１．０ｍｍの孔を穿設した孔空き棒材を製造した。
【００３１】
上記の孔空き棒材の孔部に、１０Ｐａの酸素分圧に調整した酸素と窒素との混合ガスを存在させ、棒材の外部は窒素ガス雰囲気として、８００℃の温度に加熱し１時間保持した。その結果、孔空き棒材の孔内部に６０μｍの層厚を有するアルミナ分散強化銅の層が形成された。
【００３２】
得られた孔空き棒材を切断し、汎用ＭＩＧ溶接用コンタクトチップの形状に鍛造加工により成形した。成形されたコンタクトチップを用いて、実施例１と同じ条件で、ＳＰＣＣ板（３ｍｍ厚）のＭＩＧ溶接を行い、実施例１と同様、従来のクロム銅と対比して、連続２時間溶接後のチップ摩耗量およびスパッタ付着量の相対評価を行った。結果を表２に示す。表２にみられるように、本発明に従う試験材においては、チップ磨耗量およびスパッタ付着量がいずれも従来のクロム銅の１／５と大きく改善されている。
【００３３】
【表２】
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【００３４】
比較例１
アルミニウムを含有するＣｕ−Ａｌ合金のアルミニウム含有量を変えた銅合金の直径９ｍｍの棒材を、実施例１と同じ工程により製造し。これらを汎用ＭＩＧ溶接用コンタクトチップの形状に切削により成形した後、脱脂し、酸素分圧、加熱温度を変えて１時間の加熱処理を行い、チップ表面にアルミナ分散強化銅の層を形成した。銅合金の組成、酸素分圧、加熱温度、内部酸化層厚を表３に示す。なお、表３において、本発明の条件を外れるものには下線を付した。
【００３５】
得られたコンタクトチップを用いて実施例１と同じ条件でＭＩＧ溶接を行い、連続２時間溶接後のチップ摩耗量およびスパッタ付着量を、従来のクロム銅と対比して相対評価した。評価結果を表３に示す。
【００３６】
【表３】
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【００３７】
表３に示すように、試験材Ｎｏ．５は、基材中のアルミニウム含有量が少ないため生成されるアルミナ量が少なく、耐摩耗性およびスパッタとの反応防止性が劣る。試験材Ｎｏ．６は基材中のアルミニウム含有量が多過ぎるため、内部酸化に要する時間が長くなり、１時間の加熱処理では内部酸化層厚が不十分で、チップ摩耗量が大きい。また導電性の低下も生じた。
【００３８】
試験材Ｎｏ．７は、加熱雰囲気中の酸素分圧が低いため、内部酸化層厚が十分でなく、チップ摩耗量、スパッタ付着量がともに大きい。試験材Ｎｏ．８は酸素分圧が大きいため、表面に厚い酸化皮膜が形成し、当該酸化皮膜除去後、寸法精度が出せず評価を中止した。試験材Ｎｏ．９は加熱温度が低いため、内部酸化の進行が遅く、内部酸化層厚が不十分となり、チップの摩耗量、スパッタ付着量ともに劣っている。試験材Ｎｏ．１０は加熱温度が高過ぎるため、アルミナ粒子の粗大化が生じ、とくに耐摩耗性が劣化した。
【００３９】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、優れた耐摩耗性、耐スパッタ付着性をそなえ、高導電性を有するガスシールドアーク溶接用トーチ部材、とくにコンタクトチップ、ノズルが安価に供給でき、ロボットは多用される自動溶接において、安定した品質の溶接が高い生産性で実現可能となり、産業上きわめて有用である。