JP2008238242A - 接合方法、およびこの接合方法に利用可能なプラズマトーチ - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマを用いた接合時にワークに生じる熱ひずみを低減して、高品質な接合を実施する。
【解決手段】プラズマ溶接時、プラズマトーチの中心軸を挟んで対峙する位置から、ワーク１に向けてシールドガス５を噴射供給し、溶接電極の側からワーク１に向けて供給されたプラズマガス４のワーク１上での拡散を規制する。同時に、その拡散を規制されたプラズマガス４の一部を、シールドガス５の対峙供給方向と直交する溶接進行方向に沿って逃がすようにする。
【選択図】図４

Description

本発明は、接合方法に関し、特に、プラズマを利用した接合方法、およびこの接合方法に利用可能なプラズマトーチに関する。

工業的に使用される種々の接合方法の中で、例えばプラズマを利用した接合方法があり、その一例として、プラズマ溶接法が知られている。ここで、プラズマ溶接法は、タングステン電極等の非消耗電極と、この電極に対向配置される母材（ワーク）との間に発生させたプラズマアークの熱を利用してワークの溶接を行う方法である。この種の溶接方法は、一般的なアーク溶接等に比べてエネルギーの収束密度が高いことから、熱影響部の小さい高品質の溶接方法として各種溶接に好適に用いられている。

ところで、この種のプラズマ溶接を実施する場合、熱ひずみによるワークの変形を極力避けるため、熱影響部を小さくすることが要求される。

熱影響部の面積を小さくするための手段としては、例えば溶接電極とワークとの間、あるいは溶接電極の周囲に配設されるノズル部材との間に動作ガスを介して形成されるプラズマアークを当該ノズル部材の先端に設けた小口径のオリフィスで絞ることで、プラズマアークの高密度化（収束化）を図る手段が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

あるいは、プラズマガスを拘束して通過させるための拘束ノズルを用いてプラズマ溶接を実施するに当り、ノズル拘束長の合計が５〜３０ｍｍとなるよう拘束ノズルの形状を調整することで、母材表面に形成される溶接ビードの幅寸法を減少させる試みが提案されている（例えば、特許文献２を参照）。
特開平１０−５８１４７号公報 特開平６−３２８２５９号公報

ところで、この種の溶接法では、動作ガスをプラズマ化したもの（通称プラズマガス）をワークに噴き付け、当該噴き付け領域の加熱により溶接を行うのが通常である。そのため、ワーク表面に衝突したプラズマガスはその流れを変え、当該衝突箇所から同心円状に拡散する向きに広がってしまう。これでは、たとえ、特許文献１に開示の如くノズル先端でプラズマガスを絞ったとしても、あるいは、特許文献２に開示の如く拘束ノズルのノズル長を調整した場合であっても、結果的にワーク表面に衝突したプラズマガスは拡散してしまう。そのため、既知の手段で実質的な熱影響部を小さくするには限度があった。

特に、この種の問題は、金属薄板間の溶接など、連続的な接合を要し、かつ比較的熱ひずみによる影響を受け易い部品を被接合対象とする場合に顕著となる。

また、上述の熱影響部に関する問題は、プラズマ溶接に限らず、プラズマを利用した他の接合方法、例えばろうや半田をプラズマにより生じた熱で溶かして接合する方法（ろう付けや半田付け）を実施する際にも、同様に懸念すべき事項となる。

以上の事情に鑑み、本発明では、プラズマを利用した接合時にワークに生じる熱ひずみを低減して、高品質な接合を実施可能とすることを技術的課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、接合用電極をワークに向けて配置し、接合用電極の側からワークに向けてプラズマガスを供給すると共に、プラズマガスによりワークに形成される熱影響部をシールドするシールドガスをワーク上に供給してワークの接合を行う接合方法において、シールドガスを、接合用電極を挟んで所定方向に互いに対峙する位置からワークに向けて供給し、ワーク上でのプラズマガスの所定方向への拡散をシールドガスによって規制すると共に、プラズマガスの一部を、対峙供給されるシールドガスの間から逃がすようにしたことを特徴とする接合方法を提供する。

このように、本発明は、従来、溶融金属の酸化防止を主たる目的として供給されるシールドガスをプラズマガスの拡散抑制に用いた点、およびシールドガスによりその拡散を規制されたプラズマガスの一部を外部に逃がす点を技術的特徴とするものである。

すなわち、シールドガスを、接合用電極を挟んで互いに対峙する位置からワークに向けて供給し、対峙方向へのプラズマガスの拡散を規制することで、プラズマガスノズルからワークに到るプラズマガスの流れを曲げる（乱す）ことなく、その熱影響部を所定方向（対峙方向）に絞ることができる。加えて、プラズマガスの一部を、対峙供給されるシールドガスの間から逃がすようにすることで、シールドガスにより熱影響部をシールドしつつ、その拡散を規制されたプラズマガスが、ワークに供給されるプラズマガスの流れに極力干渉しないようにすることができる。以上より、プラズマガスの拡散を抑えて実質的な熱影響部の面積を低減しつつも、熱影響部を安定して形成することができる。

また、上述の作用をなす接合方法を実施可能とするための構成として、本発明は、接合用電極と、接合用電極の周囲に設けられ、ワークに向けてプラズマガスを供給するプラズマガスノズルと、プラズマガスノズルの外側に設けられ、プラズマガスによりワークに形成される熱影響部をシールドするシールドガスをワーク上に供給するシールドガスノズルとを備えたプラズマトーチにおいて、シールドガスノズルの開口部を、接合用電極を挟んで所定方向に互いに対峙する位置に形成し、ワーク上でのプラズマガスの所定方向への拡散をシールドガスによって規制するようワークに向けてシールドガスを供給可能とし、かつ、プラズマガスの一部を対峙供給されるシールドガスの間から逃がすようシールドガスノズルの開口部を部分的に閉じた形状としたことを特徴とするプラズマトーチを提供する。

このように、従来であれば、溶融金属の酸化防止を主目的として、全周にわたってトーチ中心軸に同心円状に形成されるシールドガスノズルの開口部（例えば、特許文献１を参照）を、本発明では、プラズマガスの拡散防止のため、当該プラズマガスの供給領域を挟んで対峙する位置に形成し、かつ、開口部を部分的に閉じた形状としたことを技術的な特徴とする。従って、かかる構成をなすプラズマトーチであれば、上記方法と同様の作用を奏し、ワークに形成される熱影響部の縮小を図りつつ、この熱影響部を安定して形成することが可能となる。

上述のように、ワーク上に供給されたプラズマガスの一部を外部に逃がす場合、そのプラズマガスの一部を、接合進行方向に沿った向きに逃がすようにするのが好ましい。このように、接合進行方向に沿ってプラズマガスを逃がすようにすれば、シールドガスの対峙方向に熱影響部が狭まられ、かつ、逃がしたプラズマガスの作用で接合進行方向に沿った方向に熱影響部が伸びる。この場合、熱影響部の伸びる方向が接合部の連続する方向に一致するため、実質的に接合部の長手方向に直交する向きの幅寸法のみが狭められた形状となり、逃がしたプラズマガスによる熱影響部の面積の増加は実質的に生じない。従って、ワークに作用する熱ひずみの低減効果を一層高めることができる。

また、接合進行方向に沿ってガスの逃げ道を形成しておくことで、ワークに形成された熱影響部の面積を低減することができるだけでなく、例えば接合進行方向と逆方向（後方）に逃げたプラズマガスにより熱影響部（接合部）の急激な冷却を防止することができる。よって、接合部の外観を滑らかにして一層高品質の接合を実施することができる。

また、併せて、対峙供給したシールドガスを接合進行方向に沿って供給するように構成することで、接合進行方向に沿って逃げたシールドガスが極力シールドガスで覆われる。従って、未だ酸化する可能性のある熱影響部をシールドガスで保護して、熱影響部における酸化皮膜の形成を可及的に防止することができる。以上述べた作用は、例えばプラズマ溶接の場合や、プラズマ加熱を利用したろう付けや半田付けなど、プラズマを用いた接合一般に際して得ることができる。

このように、本発明によれば、プラズマを用いた接合時にワークに生じる熱ひずみを低減して、高品質な接合を実施することができる。また、金属薄板間の溶接などの連続的な接合を行う場合、プラズマガスを接合進行方向に逃がすことで、接合幅を狭めつつも安定した高品質な接合が可能となるので、接合品質を高レベルに維持しつつも加工速度の向上を図ることが可能となる。

以下、本発明に係る接合方法の一実施形態を、プラズマ溶接を例にとり、図１〜図４に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るプラズマ溶接方法を概念的に示している。同図に示すように、この溶接方法は、ワーク１に対向する位置にタングステン電極（溶接電極３）を備えたプラズマトーチ２を配設して行うもので、溶接電極３をワーク１に電気的に接続し、溶接電極３の先端側に供給した動作ガスをプラズマ化し、このプラズマ化されたガス（プラズマガス４）をワーク１に向けて噴射供給することでワーク１の溶接を行うものである。また、ワーク１上に噴射供給されたプラズマガス４の周囲にシールドガス５を噴射供給することで、後述する熱影響部８に外気が侵入するのを防ぐようになっている。

プラズマトーチ２は、溶接電極３の周囲に設けられ、プラズマガス４をワーク１に向けて噴射供給するためのプラズマガスノズル６と、プラズマガスノズル６のさらに外側に設けられ、ワーク１に向けてシールドガス５を噴射供給するためのシールドガスノズル７とを備える。この実施形態では、プラズマガスノズル６の先端開口部６ａは小口径に絞られている。

ここで、溶接電極３およびプラズマガスノズル６の先端開口部６ａは共にプラズマトーチ２の中心軸と同心位置に設けられている。シールドガスノズル７の開口部７ａは、図２に示すように、トーチ中心軸（に同心に配設される溶接電極３）を挟んで対峙する位置に形成されている。この実施形態では、互いに対峙する一対の開口部７ａ、７ａは直線状に伸びるスリット形状をなし、かつ、トーチ中心軸に対して対称となる位置に配設されている。また、シールドガスノズル７は、トーチ中心軸の側に傾けて形成され、プラズマ溶接時には、ワーク１上に噴射供給されるプラズマガス４の非干渉拡散領域（シールドガス５の供給がなければ拡散すると予測される領域）に向けてシールドガス５を噴射供給し、これによりワーク１上でのプラズマガス４の拡散を規制するようになっている。

以下、ワーク１上におけるプラズマガス４およびシールドガス５の流動態様を図３もしくは図４に基づき説明する。ここで、図３は、ワーク１表面近傍におけるプラズマガス４およびシールドガス５の流れを斜方から見た図である。また、図４は、ワーク１上におけるプラズマガス４およびシールドガス５の流れを、プラズマトーチ２の側から平面的に見た図である。

図３および図４に示すように、ワーク１上に噴射供給されたプラズマガス４は、ワーク１表面に衝突した後、その向きを変え、ワーク１表面上を拡散する向きの流れを生じる。ここで、シールドガス５を、溶接電極３の直下に位置するプラズマガス４の供給領域を挟んで互いに対峙する開口部７ａ、７ａからワーク１に向けて噴射供給し、ワーク１表面上を流れるプラズマガス４の、シールドガス５の対峙供給方向に沿った向きの拡散を規制する。同時に、抑制されたプラズマガス４の一部がシールドガス５の対峙供給方向を避けて、ここでは、シールドガス５の対峙供給方向と直交する溶接進行方向に沿って逃げる向きに流れる。

上述のような流れを生じることで、ワーク１上に、シールドガス５の対峙供給方向に絞られた（狭められた）形状をなし、かつ、対峙供給方向と直交する方向（ここでは溶接進行方向）に伸びた形状をなす拡散領域４ａが形成され（図３を参照）、この拡散領域４ａに応じた熱影響部（図４を参照）が形成される。

このように、シールドガス５を、プラズマガス４の供給領域を挟んで互いに対峙する一対の開口部７ａ、７ａからワーク１上に向けて噴射供給し、シールドガス５同士が対峙する方向へのプラズマガス４の拡散を規制することで、逆に言えば、当該対峙方向へのプラズマガス４の拡散を規制するようシールドガス５を供給することで、プラズマガス４の主流（鉛直方向の流れ）を乱すことなく、その熱影響部８の幅を狭めることができる。

また、シールドガス５によりその拡散が規制されたプラズマガス４の一部を、シールドガス５の対峙供給方向に直交する向きに逃がすようにしたので、この外部に逃がしたガス（プラズマガス４ｂ）がワーク１に供給されるプラズマガス４の流れを乱すような事態を極力回避することができる。

また、この実施形態では、シールドガス５によりその拡散が規制されたプラズマガス４の一部を溶接進行方向に沿った向きに逃がすようにしたので、熱影響部８の長手方向が溶接進行方向と一致する。そのため、例えば薄板溶接のように、連続的な溶接を行う場合に形成される溶接部（溶接ビード）９の幅が狭められた形状となり、外部に逃がしたプラズマガス４ｂによる熱影響部８の面積の増加は実質的に生じない。これにより、プラズマ溶接によりワーク１に生じる熱ひずみを低減して、ワーク１の形状精度を高めることが可能となる。

また、溶接進行方向後方に逃がしたプラズマガス４ｂにより熱影響部８（溶接部９）の急激な冷却を防止することができる。よって、溶接部（溶接ビード）９の外観を滑らかにして一層高品質の被溶接部品を得ることができる。

特に、この実施形態では、スリット状に設けた開口部７ａからシールドガス５を噴射供給し、平面状のシールドガス５でもってプラズマガス４の拡散を規制するようにしたので、拡散領域４ａの絞り効果を一層高めることができる。また、平面状のシールドガス５に沿ってプラズマガス４を溶接進行方向にスムーズに逃がすことができ、熱影響部８を形成するプラズマガス４の雰囲気空間を乱すこともない。さらに、平面状に噴射供給されたシールドガス５であれば、その対峙供給方向に直交する向き（ここでは溶接進行方向）に沿ってシールドガス５が流れることで、溶接進行方向に沿った向きに逃がしたプラズマガス４ｂを、同じく溶接進行方向に沿って流れるシールドガス５ａで覆うことができる。よって、別途シールドガス５の噴射供給ノズルを配設することなく、プラズマトーチ２よりも溶接進行方向の後方に位置する熱影響部８をシールドガス５ａで保護して、この熱影響部８の酸化防止を効果的に図ることができる。

以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明に係るプラズマ溶接方法、およびこの方法を実施するために用いられるプラズマトーチは、本発明の範囲内において種々の変更が可能である。

例えば、上記実施形態では、プラズマトーチ２に設けられるシールドガスノズル７の開口部７ａの形状を、図２に例示の如く、直線状に伸びるスリット形状とした場合を説明したが、これ以外の形状を採ることも可能である。例えば、図５に示すように、シールドガスノズル７の開口部７ａの形状を、円弧状に伸びるスリット状としたものを本発明に係る溶接に用いることもできる。もちろん、トーチ中心軸（に同心に配設される溶接電極３）を挟んで対峙する位置に形成され、ワーク１上に供給したシールドガス５でワーク１上でのプラズマガス４の拡散を規制可能とし、かつ、対峙供給されるシールドガス５の間からプラズマガス４の一部を逃がすよう、その開口部を部分的に閉じた形状とする限りにおいて、開口部７ａの形状を任意に採用することができる。従い、図２や図５に例示の開口部７ａは何らその形態を限定するものではない。

また、上述の説明では、プラズマトーチ２に、トーチ中心軸を挟んで対峙する一対のシールドガスノズル７の開口部７ａを設けた場合を説明したが、必ずしも開口部７ａの形状が一対をなすものである必要はない。例えば、図６に示すように、トーチ中心軸を挟んで対峙する一対の開口部７ａ、７ａを連結部７ｂを介してつなげた形状とすることも可能である。この場合、一対の開口部７ａ、７ａは、ワーク１上に噴射供給したシールドガス５によりワーク１上でのプラズマガス４の拡散を規制可能なように構成される。また、連結部７ｂからワーク１に向けて噴射供給されたシールドガス５は、プラズマガス４の拡散領域４ａに直接干渉することなく、熱影響部８を含む溶接雰囲気空間をシールドする。また、この場合、開口部７ａ、７ａからのシールドガス５によりその拡散を規制されたプラズマガス４の一部が、平面状のシールドガス５の間から、ここでは溶接進行方向の後方に向けて逃げるように構成される。

また、上述の説明では、トーチ中心軸を挟んで対峙する一対のシールドガスノズル７の開口部７ａ、７ａを設けた場合を説明したが、これら開口部７ａ、７ａは一対に限る必要はない。互いに異なる方向に対峙する複数対のシールドガスノズル７の開口部が形成されているものであっても構わない。この場合、プラズマガス４を周囲を覆うシールドガス５の間には、複数のプラズマガス４の逃げ道が形成される。

また、上述のプラズマ溶接方法であれば、必ずしも上記形状の開口部７ａを有するシールドガスノズル７をプラズマトーチ２と一体に設ける必要はない。例えば図３や図４に例示の如くシールドガス５を噴射供給可能である限りにおいて、そのノズル配置態様は問わない。

なお、以上の説明では、本発明に係る接合方法としてプラズマ溶接を採用した場合を説明したが、本発明は、プラズマ溶接以外の、プラズマを利用した接合方法にも適用可能である。例えば、ろう付けや半田付けなど、接合部に供給したろうあるいは半田をプラズマアークによる加熱で溶かしてワークの接合を行う場合にも、本発明を適用することが可能である。

本発明の一実施形態に係るプラズマ溶接方法を概念的に説明する図である。 図１に示すプラズマトーチをワークの側から見た図である。 ワーク上におけるプラズマガスおよびシールドガスの流れを模式的に示す平面図である。 ワーク上におけるプラズマガスおよびシールドガスの流れを模式的に示す斜視図である。 シールドガスノズルの開口部の他の構成例を示す図である。 シールドガスノズルの開口部の他の構成例を示す図である。

符号の説明

１ ワーク
２ プラズマトーチ
３ 溶接電極
４ プラズマガス
４ａ 拡散領域
５ シールドガス
６ プラズマガスノズル
７ シールドガスノズル
７ａ 開口部
７ｂ 連結部
８ 熱影響部
９ 溶接部

Claims (3)

1. 接合用電極をワークに向けて配置し、該接合用電極の側から前記ワークに向けてプラズマガスを供給すると共に、前記プラズマガスにより前記ワークに形成される熱影響部をシールドするシールドガスを前記ワーク上に供給して前記ワークの接合を行う接合方法において、
   前記シールドガスを、前記接合用電極を挟んで所定方向に互いに対峙する位置から前記ワークに向けて供給し、前記ワーク上での前記プラズマガスの前記所定方向への拡散を前記シールドガスによって規制すると共に、
   前記プラズマガスの一部を、前記対峙供給されるシールドガスの間から逃がすようにしたことを特徴とする接合方法。
2. 前記プラズマガスの一部を、接合進行方向に沿った向きに逃がすようにした請求項１記載の接合方法。
3. 接合用電極と、該接合用電極の周囲に設けられ、ワークに向けてプラズマガスを供給するプラズマガスノズルと、該プラズマガスノズルの外側に設けられ、前記プラズマガスにより前記ワークに形成される熱影響部をシールドするシールドガスを前記ワーク上に供給するシールドガスノズルとを備えたプラズマトーチにおいて、
   前記シールドガスノズルの開口部を、前記接合用電極を挟んで所定方向に互いに対峙する位置に形成し、前記ワーク上での前記プラズマガスの前記所定方向への拡散を前記シールドガスによって規制するよう前記ワークに向けて前記シールドガスを供給可能とし、かつ、
   前記プラズマガスの一部を前記対峙供給されるシールドガスの間から逃がすよう前記シールドガスノズルの開口部を部分的に閉じた形状としたことを特徴とするプラズマトーチ。

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