JP2009172644A - 亜鉛めっき鋼板のプラズマ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 亜鉛めっき鋼板のプラズマ溶接において、インサートチップの、ヒュームの付着および亜鉛蒸気の付着による、合金化を防ぎ長時間安定した溶接が行う。
【解決手段】 亜鉛めっき鋼板のプラズマ溶接方法において、インサートチップ先端のプラズマガス噴出孔周囲に設けた複数のサイドプラズマガス噴出孔からプラズマガスを噴出しながら溶接することを第１の特徴とする。インサートチップ先端のプラズマガス噴出孔の直径が１．６〜４．０ｍｍ、サイドプラズマガス噴出孔の直径が０．５〜１．５ｍｍであることを、第２の特徴とする。サイドプラズマガス噴出孔が、プラズマガス噴出孔を中心とする円上に等ピッチで分布する３〜６個であることを第３の特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、亜鉛めっきが施された鋼板のプラズマ溶接方法に関する。

特開平３−４２１８５号公報 特許第３４３７６３０号公報 特開２００４−２４９３５６号公報 特開平１０−５８１４７号公報 特開２００４−２４３３７４号公報。

従来のプラズマ溶接トーチの断面を図３に示す。インサートチップ１は、インサートキャップ６をチップ台８に螺合して固定されている。３はシールドキャップ、４はタングステン電極、５はセンタリングストーン、７は絶縁水路、９はシールドガス経路である。メインアークは水冷したプラズマガス噴出孔２を通ることによるホール効果とシールドガス流の冷却によるサーマルピンチ効果で収束され、硬直した指向性のあるメインアークとなって被溶接材を溶接する。

しかし、前記プラズマ溶接トーチを用いて亜鉛めっき鋼板を溶接した場合は、溶接熱によって亜鉛蒸気やヒュームが生じインサートチップ１の先端に付着あるいは、亜鉛蒸気がプラズマガス噴出孔２先端部に付着して合金化する。合金化するとインサートチップ１の熱伝導率が低下し、サーマルピンチ効果が弱まり、プラズマガス噴出孔２以外のインサートチップ１表面からのアーク（シリーズアーク）が発生し、プラズマガス噴出孔２が短時間で変形してメインアークの安定性が悪くなる。また、インサートチップ１の表面に堆積、付着した亜鉛蒸気が溶接途中で剥離落下し、溶接プール中に混入し溶接欠陥となる等の問題がある。

インサートチップ１の表面にヒュームが付着した場合は、ワイヤブラシ等でこすることで清掃できるが、同時にインサートチップ１の表面が削れてしまい、インサートチップ１の寿命が短くなる。またインサートチップ１の表面が合金化すると取り除くことは困難となり短時間でインサートチップ１を交換しなければならなく経済性が悪くなる。また、インサートチップ１の交換に要するライン停止回数が多くなり、稼働効率低下の要因となっている。

亜鉛めっき鋼板の溶接法として、例えば特許文献１に、プラズマガスにＡｒとＨ_２ガスの混合ガスを使用し、シールドガスにＡｒガスを用いて塗装鋼板を溶接する方法が開示されている。しかし、特許文献１に記載の方法ではタングステン電極の消耗は少なくなるものの、インサートチップ表面への亜鉛蒸気の付着は免れることができず、インサートチップの交換を頻繁に行う必要がある。

特許文献２には、インサートチップのプラズマガス噴出孔の直径を４〜５ｍｍとし、プラズマガスの流速を１０〜２０ｍ／ｓｅｃ、タングステン電極の先端をインサートチップの先端に対して０．５〜−１ｍｍ被溶接材側に突き出して亜鉛めっき鋼板を溶接する方法の開示がある。しかし、特許文献２に記載の方法においてはプラズマガス噴出孔の直径が４〜５ｍｍと大きいのでアークの指向性が悪くなり、メインアークがふらつきやすく欠陥が発生する場合や板厚差の大きい被溶接材の突き合わせ溶接ができない場合があった。また、ロボットに搭載さしたとき、溶接終了後タングステン電極がまだ赤熱した状態で高速移動する場合が多く、プラズマガス噴出孔内に空気を巻き込み易く、タングステン電極が酸化消耗しやすいという問題がある。

さらに、特許文献３には、亜鉛めっき鋼板の溶接装置として２本のトーチが鋼板突き合わせ部に対し相対移動し、亜鉛を加熱しガス化して除去する先行トーチと、亜鉛めっきが除去された鋼板の突き合わせ部を溶接する後行トーチとから構成されており、先行トーチがプラズマトーチまたはレーザートーチからなり、後行トーチがＴＩＧトーチとして溶接する技術の開示がある。しかし、特許文献３に記載の溶接装置は大型となり、コスト高になる。

特許文献４には、プラズマノズル周りを３重構造にして、プラズマノズルとシールドガス噴出口との間にプラズマノズルを中心とする円形開口である第３の噴出口を形成してそこから不活性ガスを噴出してプラズマノズルチップの先端面とワークとの間に不活性ガスの高速気流層を形成して、チップの先端面とワークの間にシリーズアークが発生するのを防止するプラズマ溶接用トーチが記載されている。特許文献５には、第３の噴出口が円形開口であることによって、ノズルから出るプラズマアークが不安定になってワーク上の一点に集中しなくなることを改善するために、第３の噴出口を、ノズルの両側に位置する弧状の１対とししかもノズルを中心とする円の所定角度範囲の広がりとしたプラズマトーチが記載されている。

本発明は、亜鉛めっき鋼板のプラズマ溶接において、インサートチップへのヒュームの付着および亜鉛蒸気の付着による合金化を防ぎ、長時間安定した溶接を行うことができる亜鉛めっき鋼板のプラズマ溶接方法を提供することを目的とする。

本発明の要旨は、亜鉛めっき鋼板のプラズマ溶接方法において、インサートチップ先端のプラズマガス噴出孔周囲に設けた複数のサイドプラズマガス噴出孔からプラズマガスを噴出しながら溶接することを特徴とする。また、インサートチップ先端のプラズマガス噴出孔の直径が１．６〜４．０ｍｍ、サイドプラズマガス噴出孔の直径が０．５〜１．５ｍｍであることを特徴とする亜鉛めっき鋼板のプラズマ溶接方法にある。好ましくは、サイドプラズマガス噴出孔は、プラズマガス噴出孔を中心とする円上に等ピッチで分布する３〜６個である。

本発明の亜鉛めっき鋼板のプラズマ溶接方法によれば、インサートチップへのヒュームおよび金属蒸気の付着が低減され、かつ硬直した指向性のあるメインアークにより安定した溶接を長時間行うことができる。

図１の（ａ）に、本発明の亜鉛めっき鋼板のプラズマ溶接方法に用いるプラズマ溶接トーチの１例の拡大縦断面を示し、図１の（ｂ）には、そのプラズマガス噴出孔２の下方から上方（Ｂ−Ｂ矢視方向）に見上げた底面図を示す。図１の（ａ）に示すように、プラズマトーチ中心部にはタングステン電極４があり、その直下に、インサートチップ１のプラズマガス噴出孔２がある。プラズマトーチの中心軸とタングステン電極４とプラズマ噴出孔２の中心軸は同一である。

インサートチップ１先端のプラズマガス噴出孔２の周囲に複数（図１の（ｂ）では６）のサイドプラズマガス噴出孔１０が設けられている。

図２に、前記プラズマ溶接トーチを用いて亜鉛めっき鋼板を溶接する状態を示す。シールドキャップ３とインサートチップ１との間のシールドガス経路９にシールドガス（Ａｒガス）が供給され、タングステン電極４とインサートチップ１との間から、ＡｒガスまたはＡｒガスに５〜１５％Ｈ２を含むプラズマガスが、プラズマガス噴出孔２およびサイドプラズマガス噴出孔１０に供給されている。

タングステン電極４と亜鉛めっき鋼板１１との間にメインアーク１２が維持され溶接が開始されると、溶接熱によってヒュームや、亜鉛めっき鋼板１１に塗装されている亜鉛が亜鉛蒸気となってメインアーク１２周辺に舞い上がるが、複数のサイドプラズマガス噴出孔１０から亜鉛めっき鋼板１１に向かって供給されるサイドプラズマガス流１３によって、該亜鉛蒸気をシールドガス流１４方向へ飛ばすので、ヒュームや亜鉛蒸気がインサートチップ１表面に付着することがない。したがって、インサートチップ１を清掃する必要がなく、長時間溶接が可能である。

インサートチップ１先端のプラズマガス噴出孔の直径を１．６〜４．０ｍｍとすることによって、ホール効果とプラズマガス噴出孔より出たメインアークをプラズマガスで拘束およびシールドガスで冷却することでサーマルピンチ効果が加速されより硬直した指向性のあるメインアークとなり、安定した溶接が行える。また、プラズマガス噴出孔の直径が比較的小さいので、ロボットに搭載して拘束移動した場合でも空気の巻き込み量が少なく、タングステン電極４の酸化消耗が少なくなる。なお、プラズマガス噴出孔の直径が１．６ｍｍ未満であると、大電流で溶接した時にプラズマガス噴出孔が溶けて変形し、安定した溶接が行えなくなり溶接不良が発生する。一方、４．０ｍｍを超えると、ホール効果が低減して硬直した指向性のあるメインアークとならず溶接不良が発生する。

サイドプラズマガス噴出孔１０の数は２以上とする。サイドプラズマガス噴出孔１０の数が２未満であると、サイドプラズマガスがインサートチップ先端部を十分覆うことができず、溶接時に発生したヒュームや亜鉛蒸気がインサートチップ１先端部に付着してインサートチップ１の寿命を短くする。なお、好ましくはサイドプラズマガス噴出孔１０は、プラズマガス噴出孔を中心とする円上に等ピッチで分布する３〜６とする。これによりプラズマガス噴出孔周りのサイドプラズマガス流の安定性が高く、ヒュームや亜鉛蒸気をチップ１先端部から排除する安定性が高い。

また、サイドプラズマガス噴出孔１０の直径を０．５〜１．５ｍｍとすることによって、サイドプラズマガス噴出孔１０からプラズマガスが噴出し、亜鉛めっき鋼板を溶接する際に発生するヒュームや亜鉛蒸気をサイドプラズマガス流１３でシールドガス流１４方向へ吹き飛ばすので、ヒュームや亜鉛蒸気がインサートチップ１先端部への付着が低減される。サイドプラズマガス噴出孔１０の直径が０．５ｍｍ未満であると、ヒュームや亜鉛蒸気を吹き飛ばすのに十分な量のサイドプラズマガス流１３がサイドプラズマガス噴出孔より噴出されず、インサートチップ１先端部にヒュームや金属蒸気が付着するのでインサートチップ１を頻繁に交換することになる。一方、サイドプラズマガス噴出孔１０の直径が１．６ｍｍを超えると、サイドプラズマガス噴出孔１０から噴出されるプラズマガスの量が多くなり、メインアークへ供給されるプラズマガスの量が少なくなるので、アークが不安定になり溶接不良が発生する。

なお、プラズマガスの流量は、プラズマガス噴出孔２およびサイドプラズマガス噴出孔１０から噴出するガス流量を合わせて、３〜６リットル／分、シールドガス流量は７〜１２リットル／分で、タングステン電極先端の位置は、インサートチップ先端から０〜３ｍｍ内側で、プラズマ噴出孔２の長さは１〜３ｍｍであることが好ましい。

以下、実施例により本発明の効果を具体的に説明する。板厚１．４ｍｍで亜鉛めっきの目付け量が５０ｇ／ｍ^２である被溶接材を、表１に示すプラズマガス噴出孔の直径およびサイドプラズマガス噴出孔数とその直径を変えたインサートチップを用いて、表２に示す溶接条件で突き合わせ溶接を行い、溶接時のアークの指向性および溶接終了後にインサートチップ先端部表面へのヒュームおよび亜鉛蒸気の付着状態を調査した。その結果も表１にまとめて示す。

表１中試験Ｎｏ．１〜４が本発明例、試験Ｎｏ．５〜９は比較例である。本発明例である試験Ｎｏ．１〜４は、インサートチップ先端のプラズマガス噴出孔周囲に設けた複数のサイドプラズマガス噴出孔１０からプラズマガスを噴出しながら溶接し、インサートチップ先端のプラズマガス噴出孔の直径およびサイドプラズマガス噴出孔の直径が適正であるので、アークの指向性が良好で安定し、インサートチップ先端部表面へのヒュームおよび亜鉛蒸気の付着量が少なく、極めて満足な結果であった。

比較例中試験Ｎｏ．５は、プラズマガス噴出孔２の直径が小さいので、プラズマガス噴出孔が溶けてアークが不安定になった。試験Ｎｏ．６は、プラズマガス噴出孔２の直径が大きいので、アークの指向性が不良であった。試験Ｎｏ．７は、サイドプラズマガス噴出孔１０の直径が小さいので、また、試験Ｎｏ．９はサイドプラズマガス噴出孔を設けていないので、何れもインサートチップ先端部表面へのヒュームおよび亜鉛蒸気の付着量が多かった。試験Ｎｏ．８は、サイドプラズマガス噴出孔の直径が大きいので、メインアークへ供給されるプラズマガスの量が少なくなり、アークが不安定であった。

（ａ）は本発明の亜鉛めっき鋼板のプラズマ溶接方法に用いる１例のプラズマ溶接トーチの拡大縦断面を示し、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ線方向から見た底面図である。（ａ）は、（ｂ）のＡ−Ａ線断面図である。 本発明により亜鉛めっき鋼板を溶接する状態で、図１に示すプラズマ溶接トーチの先端部の拡大図である。 従来のプラズマ溶接トーチの拡大縦断面図である。

符号の説明

１：インサートチップ
２：プラズマガス噴出孔
３：シールドキャップ
４：タングステン電極
５：センタリングストーン
６：インサートキャップ
７：絶縁水路
８：チップ台
９：シールドガス経路
１０：サイドプラズマガス噴出孔
１１：亜鉛めっき鋼板
１２：メインアーク
１３：サイドプラズマガス流
１４：シールドガス流

Claims (3)

1. 亜鉛めっき鋼板のプラズマ溶接において、インサートチップ先端のプラズマガス噴出孔周囲に設けた複数のサイドプラズマガス噴出孔からプラズマガスを噴出しながら溶接することを特徴とする亜鉛めっき鋼板のプラズマ溶接方法。
2. 前記インサートチップ先端のプラズマガス噴出孔の直径が１．６〜４．０ｍｍ、前記サイドプラズマガス噴出孔の直径が０．５〜１．５ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の亜鉛めっき鋼板のプラズマ溶接方法。
3. 前記サイドプラズマガス噴出孔は、前記プラズマガス噴出孔を中心とする円上に等ピッチで分布する３〜６個であることを特徴とする請求項２に記載の亜鉛めっき鋼板のプラズマ溶接方法。

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