JP2011050980A - ガスシールドアーク溶接トーチのシールドノズル - Google Patents

Abstract

【課題】溶接ラインや溶接作業を止めることなく、長時間連続して溶接することができる耐スパッタ特性に優れたガスシールドアーク溶接トーチのシールドノズルを提供する。
【解決手段】ソリッドワイヤーが挿通され、ソリッドワイヤーに電流を供給するコンタクトチップを包容するように配設された筒状のガスシールドアーク溶接トーチのシールドノズル５であって、シールドノズル母材５ａ表面に、密着性セラミック被膜の母材表上被膜層５ｂを形成し、母材表上被膜層５ｂの上層に、硬質セラミック被膜の表面被膜層５ｄを形成する。なお、母材表上被膜層５ｂと表面被膜層５ｄの間に、密着性セラミックと硬質セラミックの混合物からなる中間被膜層５ｃを形成することが好ましい。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスシールドアーク溶接をする際に用いられるガスシールドアーク溶接トーチのシールドノズルに関するものである。

従来から、自動車部品等の組立の際に、ＭＡＧ溶接やＭＩＧ溶接等のガスシールドアーク溶接が利用されている。特許文献１には、ガスシールドアーク溶接方法の技術が開示されている。ガスシールドアーク溶接に用いられる溶接トーチは、図３に示されるように、ソリッドワイヤーが送り出されるコンタクトチップ５０と、このコンタクトチップ５０を保持するチップホルダ５１と、コンタクトチップ５０を包容するように配設された筒状のシールドノズル５２と、シールドノズル５２をチップホルダ５１に取り付けるノズルホルダ５３とから構成されている。ガスシールドアーク溶接は、連続的に送り出されるソリッドワイヤーに、コンタクトチップ５１を介して大電流を流して、前記ソリッドワイヤーと被溶接部材との間でアークを発生させ（放電させ）、その際に発生する熱により、前記ソリッドワイヤーや被溶接部材を溶かして、被溶接部材を溶接する溶接方法である。溶接を行う際には、溶接箇所と空気とが接触することによるブローホールの発生を防止するために、チップホルダ５１に形成されたガス供給口５１ａからＣＯ^２やアルゴン等の不活性ガスを供給し、シールドノズル５２の先端から溶接箇所に前記不活性ガスを供給して、溶接箇所と空気の接触を防止している。シールドノズル５２は、不活性ガスの拡散を防止し、確実に溶接箇所に不活性ガスを供給するためのものであり、ガスシールドアーク溶接には不可欠なものである。

溶接時には溶融金属の微粒子であるスパッタが発生して、溶接箇所から飛散する。図３に示されるように、シールドノズル５２先端やコンタクトチップ５０にスパッタ９９が蓄積すると、シールドノズル５２内の不活性ガスの流れが悪くなる。すると、溶接箇所への不活性ガスの供給が不十分となり、ブローホールが発生してしまう。そこで、溶接ラインや溶接作業を止めて、作業者が定期的にシールドノズル５２先端に付着したスパッタ９９をワイヤーブラシやヤスリ等で除去していた。被溶接物や溶接条件によって異なるが、従来では３０分〜１時間の間隔で、作業者がシールドノズル５２先端に付着したスパッタ９９を除去していた。このように、シールドノズル５２内に付着したスパッタ９９を除去するためには、溶接ラインや溶接作業を止める必要があり、生産効率が悪化してしまうという問題があった。

そこで、従来では、鉄を溶接する場合には、シールドノズル５２を、鉄と異質材料であるである銅やセラミックス等で構成して、シールドノズル５２へのスパッタの付着を抑制していた。しかしながら、シールドノズル５２を銅で構成すると、銅は柔らかいため、シールドノズル５２の表面に傷がつきやすく、この傷にスパッタが付着し蓄積していた。また、シールドノズル５２をセラミックスで構成したとしても、シールドノズル５２の表面の面粗度が荒いため、スパッタが付着し蓄積していた。

一方で、シールドノズル５２をカーボンや樹脂で構成し、スパッタがシールドノズル５２表面に付着した際に、シールドノズル５２の表面を燃焼させることによりスパッタを落下させ、シールドノズル５２表面へのスパッタの付着を防止する技術が知られている。しかしながら、シールドノズル５２表面へのスパッタの付着は防止できるが、使用に伴いシールドノズル５２が燃焼により痩せ細り、遂には、シールドノズル５２が破断してしまうという問題があった。

特開２００４−２４９３２３

本発明は、上記のような溶接工程における問題点を解決し、溶接ラインや溶接作業を止めることなく、長時間連続して溶接することができる耐スパッタ特性に優れたガスシールドアーク溶接トーチのシールドノズルを提供する。

上記課題を解決するためになされた請求項１に記載の発明は、
ソリッドワイヤーが挿通され、ソリッドワイヤーに電流を供給するコンタクトチップを包容するように配設された筒状のガスシールドアーク溶接トーチのシールドノズルであって、
シールドノズル母材表面に、密着性セラミック被膜の母材表上被膜層を形成し、
前記母材表上被膜層の上層に、硬質セラミック被膜の表面被膜層を形成し、
前記密着性セラミックは、Ｃｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｗから選ばれる１種類以上の金属元素と、Ｎ、Ｃ、Ｂから選ばれる１種類以上の元素からなる複合化合物、又はこの複合化合物の混合物であり、
前記硬質セラミック被膜は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ及びＳｉから選ばれる2種以上の金属元素を含有し、Ｎ、Ｃ、Ｂから選ばれる1種類以上の元素からなる複合化合物、又はこの複合化合物の混合物であることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、母材表上被膜層と表面被膜層の間に、密着性セラミックと硬質セラミックの混合物からなる中間被膜層を形成したことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明は、中間被膜層は、密着性セラミックと硬質セラミックの比率が、母材表上被膜層から表面被膜層に向けて、連続的又は段階的に変化していることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３に記載の発明において、
密着性セラミックは、ＣｒＮ、Ｃｒ_２Ｎ、又は、これらの混合物であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４に記載の発明において、硬質セラミック被膜は、金属元素の原子比率がＴｉ０．５以下、Ｃｒ０．２以上０．５以下、Ａｌ０．３以上０．７以下、Ｓｉ０．２以下であることを特徴であることを特徴とする。

請求項１に記載の発明は、シールドノズル母材表面に、密着性セラミック被膜の母材表上被膜層を形成し、前記母材表上被膜層の上層に、硬質セラミック被膜の表面被膜層を形成したことを特徴とする。
これにより、硬質セラミック被膜である表面被膜層にスパッタが当接したとしても、硬質セラミック被膜の摩擦係数は低く、当該被膜は滑らかなため、スパッタが流れ落ち、シールドノズル表面へのスパッタの付着を防止することが可能となる。また、硬質セラミック被膜は耐熱性が高いため、スパッタの当接により表面被膜層が消耗しない。更に、母材表上被膜層を密着性セラミックで構成したので、表面被膜層の剥離が抑制される。このため、溶接ラインや溶接作業を止めることなく、長時間連続して溶接することが可能となる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、母材表上被膜層と表面被膜層の間に、密着性セラミックと硬質セラミックの混合物からなる中間被膜層を形成したことを特徴とする。
これにより、密着性セラミックと硬質セラミックとの格子定数の差に起因する表面被膜層と母材表上被膜層との密着性の低下を抑止し、表面被膜層の剥離を防止することが可能となる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明は、中間被膜層は、密着性セラミックと硬質セラミックの比率が、母材表上被膜層から表面被膜層に向けて、連続的又は段階的に変化していることを特徴とする。
これにより、密着性セラミックと硬質セラミックとの格子定数の差を緩和させることにより、密着性セラミックと硬質セラミックとの格子定数に起因する表面被膜層と母材表上被膜層との密着性の低下を防止し、表面被膜層の剥離を防止することが可能となる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３に記載の発明において、密着性セラミックは、ＣｒＮ、Ｃｒ_２Ｎ、又は、これらの混合物であることを特徴とする。
これにより、密着性セラミック被膜として、シールドノズルへの高い密着性を実現することが可能となる。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４に記載の発明において硬質セラミック被膜は、金属元素の原子比率がＴｉ０．５以下、Ｃｒ０．２以上０．５以下、Ａｌ０．３以上０．７以下、Ｓｉ０．２以下であることを特徴とする。
これにより、硬質セラミック被膜として、低い摩擦係数及び高い耐熱性を実現することが可能となる。

本発明のガスシールドアーク溶接トーチの説明図である。 シールドノズルの被膜の説明図である。 従来のガスシールドアーク溶接トーチの説明図である。

（ガスシールドアーク溶接トーチの構成）
以下に、図面を参照しつつ本発明の好ましい実施の形態を示す。図１において、１はコンタクトチップ、２はチップホルダ、３はノズルホルダ、５はシールドノズルである。

コンタクトチップ１は、図１に示されるように、略砲弾形状である。コンタクトチップ１は、導電性に優れた、銅やクロム銅・ベリリウム銅等の銅合金で構成されている。コンタクトチップ１には、軸線方向に向かってワイヤー送出口１ａが貫通形成されている。コンタクトチップ１は、パイプ状のチップホルダ２の先端に取り付けられ、着脱自在となっている。

チップホルダ２は、導電性に優れた、銅やクロム銅・ベリリウム銅等の銅合金で構成されている。チップホルダ２の基端部分の外周面には、ネジ部２ａが螺刻されている。

ノズルホルダ３は略円筒形状である。ノズルホルダ３の先端部分は取付部３ａとなっていて、螺子溝が螺刻されている。

ノズルホルダ３の基端側の内周面には、ネジ部３ｂが螺刻されている。チップホルダ２をノズルホルダ３内に挿入し、ノズルホルダ３のネジ部３ｂとチップホルダ２のネジ部２ａとを螺合させることにより、ノズルホルダ３をチップホルダ２に取り付けている。

シールドノズル５は、筒状であり、図に示される実施形態では円筒形状である。シールドノズル５の基端部分は、取付部５ｇとなっていて、螺子溝が螺刻されている。シールドノズル５の取付部５ｇが、ノズルホルダ３の取付部３ａに螺合して、シールドノズル５がノズルホルダ３に取り付けられている。この状態では、シールドノズル５は、コンタクトチップ１及びチップホルダ２を包容している。なお、図に示される実施形態では、ノズルホルダ３の外周側に取付部３ａが形成され、シールドノズル５の内周側に取付部５ｇが形成されているが、ノズルホルダ３の内周側に取付部３ａが形成され、シールドノズル５の外周側に取付部５ｇが形成されている構成であっても差し支えない。後で詳細に説明するが、本発明では、シールドノズル母材５ａ表面から、順に、母材表上被膜層５ｂ、中間被膜層５ｃ、表面被膜層５ｄを形成している。

コンタクトチップ１の先端は、シールドノズル５から突出している。チップホルダ２の基端には、複数の不活性ガス供給口２ｂが形成されている。溶接時には、不活性ガス供給口２ｂからシールドノズル５内にＣＯ^２やアルゴン等の不活性ガスが供給される。コンタクトチップ１を包容するシールドノズル５が設けられているので、不活性ガスが拡散することなく、確実に溶接箇所に供給される。

チップホルダ２及びコンタクトチップ１のワイヤー送出口１ａ内には、ソリッドワイヤーが挿通される。溶接時には、コンタクトチップ１にはチップホルダ２から溶接電流が供給され、ワイヤー送出口１ａから送出されるソリッドワイヤーに溶接電流が供給される。

（シールドノズルに形成された被膜の説明）
以下、図２を用いて、シールドノズル５の表面に形成された被膜について説明する。
シールドノズルの母材５ａには、鉄、ステンレス、銅、クロム銅等の銅合金が含まれる。本発明のシールドノズル５は、図２に示されるように、シールドノズル母材５ａ表面から順に、母材表上被膜層５ｂ、中間被膜層５ｃ、表面被膜層５ｄが形成されている。

母材表情被膜層５ｂは、シールドノズル母材５ａとの密着性に優れた密着性セラミック被膜である。前記密着性セラミックは、Ｃｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｗから選ばれる１種類以上の金属元素と、Ｎ、Ｃ、Ｂから選ばれる１種類以上の元素からなる複合化合物、又はこの複合化合物の混合物である。なお、本実施形態では密着性セラミックは、ＣｒＮ、Ｃｒ_２Ｎ、又は、これらの混合物である。

表面被膜層５ｄは、摩擦係数が低く、耐熱性に優れ、高硬度の硬質セラミック被膜である。硬質セラミックは、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ及びＳｉから選ばれる２種以上の金属元素を含有し、Ｎ、Ｃ、Ｂから選ばれる1種類以上の元素からなる複合化合物、又はこの複合化合物の混合物である。なお、本実施形態では、硬質セラミックは、ＴｉＣｒＡｌＳｉ系窒化物である。なお、前記硬質セラミックの金属元素の原子比率は、Ｔｉ０．５以下、Ｃｒ０．２以上０．５以下、Ａｌ０．３以上０．７以下、Ｓｉ０．２以下であることが好ましい。

中間被膜層５ｃは、前記密着性セラミックと前記硬質セラミックの混合物である。中間被膜層５ｃは、密着性セラミックと硬質セラミックの比率が、母材表情被膜層５ｂから表面被膜層５ｄに向けて、連続的又は段階的に変化している。つまり、中間被膜層５ｃは、母材表情被膜層５ｂ側では密着性セラミックの比率を高く、表面被膜層５ｄ側では硬質セラミックの比率を高くしている。

このように、本発明では、母材表上被膜層５ｂとして、シールドノズル母材５ａとの密着性に優れた密着性セラミック被膜を形成したので、表面被膜層５ｄの剥離が抑制される。更に、密着性セラミックと硬質セラミックの比率が、母材表上被膜層５ｂから表面被膜層５ｄに向けて連続的又は段階的に変化している中間被膜層５ｃを形成したので、密着性セラミックと硬質セラミックとの格子定数の差に起因する表面被膜層５ｄと母材表上被膜層５ｂとの密着性の低下が抑制され、表面被膜層５ｄの剥離が防止される。

そして、表面被膜層５ｄを硬質セラミック被膜で構成したので、表面被膜層５ｄの摩擦係数が低く、また、表面が滑らかなため、スパッタがシールドノズル５表面（表面被膜層５ｄ）に当接しても、スパッタが流れ落ち、スパッタのシールドノズル５表面への付着が防止される。
なお、表面被膜層５ｄを、金属元素の原子比率がＴｉ０．５以下、Ｃｒ０．２以上０．５以下、Ａｌ０．３以上０．７以下、Ｓｉ０．２以下のＴｉＣｒＡｌＳｉ系窒化物で構成すると、動摩擦計数は０．２５〜０．４０、面粗度は、０．１５〜０．２５（Ｒａ：μｍ）となる。
また、硬質セラミック被膜は耐熱性（前記金属元素の原子比率ＴｉＣｒＡｌＳｉ系窒化物の場合には酸化開始温度１０５０〜１１００℃）に優れるので、スパッタがシールドノズル５の表面（表面被膜層５ｄ）に当接したとしても、表面被膜層５ｄが熱により酸化することない。更に、硬質セラミック被膜は、高硬度（前記金属元素の原子比率ＴｉＣｒＡｌＳｉ系窒化物の場合には３０００〜３４００Ｈｖ）であるので、スパッタの当接により、表面被膜層５ｄに傷が着くことがない。

（シールドノズルの製造方法）
以下に本発明のシールドノズル５の製造方法について説明する。本発明では、周知のアークイオンプレーティング法により、シールドノズル母材５ａ表面に、母材表上被膜層５ｂ、中間被膜層５ｃ、表面被膜層５ｄを形成している。本発明では、アークイオンプレーティング装置内に配設されるターゲットとして、Ｃｒ、ＴｉとＣｒとＡｌ及びＳｉのうちの2種以上の元素の固溶体を組み合わせ使用している。ターゲットと離間して陽極が配設され、ターゲットと陽極はアーク電源に接続されている。

先ず、シールドノズル母材５ａ表面を、洗浄して脱脂する。次に、アークイオンプレーティング装置内の回転テーブルに、洗浄したシールドノズル母材５ａを設置し、装置内の空気を排出することにより、装置内を略真空にする。次に、反応ガスを装置内に導入する。この際の装置内の気圧は（１０^−３〜１０^−５Ｐａ）である。なお、本実施形態では、反応ガスとして、高純度のＮ_２ガスを使用する。シールドノズル母材５ａにバイアス電圧を印加するとともに、密着性セラミックの材料となるターゲット（本実施形態ではＣｒ）と陽極間でアーク放電させ、シールドノズル母材５ａに母材表上被膜層５ｂを形成する。

次に、シールドノズル母材５ａにバイアス電圧を印加するとともに、密着性セラミックの材料となるターゲット（本実施形態ではＣｒ）と陽極間でアーク放電させ、更に、硬質セラミックの材料となるターゲット（本実施形態ではＴｉとＳｉの固溶体及びＣｒとＡｌの固溶体）と陽極間でアーク放電させて、母材表上被膜層５ｂ上に中間被膜層５ｃを形成する。この際に、徐々に、密着性セラミックの材料となるターゲットと陽極印加するアーク電流と、硬質セラミックの材料となるターゲットと陽極に印加するアーク電流を調整することにより、密着性セラミックの材料となるターゲットと硬質セラミックの材料となるターゲットの蒸発量を調整して、密着性セラミックと硬質セラミックの比率を、母材表情被膜層５ｂから表面被膜層５ｄに向けて、連続的又は段階的に変化させる。

最後に、シールドノズル母材５ａにバイアス電圧を印加するとともに、硬質セラミックの材料となるターゲット（本実施形態ではＴｉとＳｉの固溶体及びＣｒとＡｌの固溶体）と陽極間でアーク放電させ、中間被膜層５ｃ上に表面被膜層５ｄを形成する。

（総括）
本発明では、シールドノズル５に、母材表上被膜層５ｂ、中間被膜層５ｃ、表面被膜層５ｄを形成しているが、コンタクトチップ１やチップホルダ２に、母材表上被膜層、中間被膜層、表面被膜層を形成することもでき、この場合には、コンタクトチップ１やチップホルダ２へのスパッタの付着を抑止することが可能となる。

以上、現時点において、もっとも、実践的であり、かつ好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は、本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨あるいは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴うガスシールドアーク溶接トーチのシールドノズルもまた技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。

１ コンタクトチップ
１ａ ワイヤー送出口
２ チップホルダ
２ａ ネジ部
２ｂ ガス供給口
３ ノズルホルダ
３ａ 取付部
３ｂ ネジ部
５ シールドノズル
５ａ シールドノズル母材
５ｂ 母材表上被膜層
５ｃ 中間被膜層
５ｄ 表面被膜層
５ｇ 取付部
５０ コンタクトチップ
５１ チップホルダ
５１ａ ガス供給口
５２ シールドノズル
５３ ノズルホルダ
９９ スパッタ

Claims (5)

1. ソリッドワイヤーが挿通され、ソリッドワイヤーに電流を供給するコンタクトチップを包容するように配設された筒状のガスシールドアーク溶接トーチのシールドノズルであって、
   シールドノズル母材表面に、密着性セラミック被膜の母材表上被膜層を形成し、
   前記母材表上被膜層の上層に、硬質セラミック被膜の表面被膜層を形成し、
   前記密着性セラミックは、Ｃｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｗから選ばれる１種類以上の金属元素と、Ｎ、Ｃ、Ｂから選ばれる１種類以上の元素からなる複合化合物、又はこの複合化合物の混合物であり、
   前記硬質セラミック被膜は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ及びＳｉから選ばれる２種以上の金属元素を含有し、Ｎ、Ｃ、Ｂから選ばれる1種類以上の元素からなる複合化合物、又はこの複合化合物の混合物であることを特徴とするガスシールドアーク溶接トーチのシールドノズル。
2. 母材表上被膜層と表面被膜層の間に、密着性セラミックと硬質セラミックの混合物からなる中間被膜層を形成したことを特徴とする請求項１に記載のガスシールドアーク溶接トーチのシールドノズル。
3. 中間被膜層は、密着性セラミックと硬質セラミックの比率が、母材表上被膜層から表面被膜層に向けて、連続的又は段階的に変化していることを特徴とする請求項２に記載のガスシールドアーク溶接トーチのシールドノズル。
4. 密着性セラミックは、ＣｒＮ、Ｃｒ_２Ｎ、又は、これらの混合物であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のガスシールドアーク溶接トーチのシールドノズル。
5. 硬質セラミック被膜は、金属元素の原子比率がＴｉ０．５以下、Ｃｒ０．２以上０．５以下、Ａｌ０．３以上０．７以下、Ｓｉ０．２以下であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載のガスシールドアーク溶接トーチのシールドノズル。

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