JP2023148280A

JP2023148280A - 溶接装置

Info

Publication number: JP2023148280A
Application number: JP2022056213A
Authority: JP
Inventors: 凌浅羽; Ryo Asaba; 雅博中井; Masahiro Nakai
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 2022-03-30
Filing date: 2022-03-30
Publication date: 2023-10-13

Abstract

【課題】添加物の蒸発を低減し、添加物の均一な分散を図り、摺動性能のさらなる向上が図られる摺動部材を製造するための溶接装置を提供する。【解決手段】一実施形態による溶接装置１０は、母材１１にワイヤ１２をアーク溶接することによって摺動部材の摺動層を形成する。溶接装置１０は、ワイヤ供給部１３および添加材供給部２０を備える。ワイヤ供給部１３は、摺動層を構成するマトリクスとなるワイヤ１２を供給する。添加材供給部２０は、ワイヤ供給部１３から供給されたワイヤ１２と母材１１との間の放電によって溶融した溶滴１５に、マトリクスに添加する添加材２１を供給する。【選択図】図１

Description

本実施形態は、溶接装置に関し、特に摺動部材の摺動層を形成する溶接装置に関する。

従来、アーク溶接によって摺動部材を形成することが周知である（特許文献１、２）。特許文献１では、裏金の表面にアーク溶接によってＣｕ－Ｓｎ－Ｐｂの合金を摺動層として積層している。このとき、摺動層は、合金のマトリクスにＰｂが予め分散された粉末を用いて形成される。これにより、特許文献１では、溶接時の高温によるＰｂの蒸発を低減し、摺動層にＰｂが均一に分散した組織の形成を図っている。

近年、環境へ与える負荷のさらなる低減などの要求から、摺動部材を用いる軸受は、高い面圧環境における摺動特性の向上が求められている。そこで、マトリクスに例えば低融点の金属や硬質の材料などを添加材として添加し、摺動層の性質の向上が図られている。この場合、摺動層は、例えばあらかじめマトリクスに添加材を加えた粉末やワイヤを用いて溶接を行なうことにより形成することができる。

ところが、マトリクスに添加された低融点の金属は、溶接時に蒸発を招きやすく、摺動層のマトリクスの欠陥や偏析を招くという問題がある。また、マトリクスに添加された硬質の材料は、溶接時に凝集を招きやすく、マトリクスにおける均一な分散が困難であるという問題がある。

特開平０４－３０００７３号公報特開平０４－３７１３９０号公報

そこで、添加物の蒸発を低減し、添加物の均一な分散を図り、摺動性能のさらなる向上が図られる摺動部材を製造するための溶接装置を提供することを目的とする。

一実施形態による溶接装置は、母材にワイヤをアーク溶接することによって摺動層を形成する。溶接装置は、ワイヤ供給部および添加材供給部を備える。ワイヤ供給部は、前記摺動層を構成するマトリクスとなる前記ワイヤを供給する。添加材供給部は、前記ワイヤ供給部から供給された前記ワイヤと前記母材との間の放電によって溶融した溶滴に、前記マトリクスに添加する添加材を供給する。

これにより、添加材は、溶融したワイヤの溶滴に混合される。すなわち、本実施形態では、添加材は、母材とワイヤとのアークによって母材に形成される溶融池ではなく、ワイヤに形成される溶滴に加えられる。そのため、添加材は、溶滴に均一かつ微細に分散し、溶滴が凝固して形成される摺動層にも均一かつ微細に分散する。これは、溶滴が母材に落下することにより、溶滴は迅速に冷却されるからである。すなわち、溶滴に加えられた添加材は、容積が比較的小さな溶滴と均一かつ微細に混合された後、母材に落下して冷却され、均一かつ微細に混合された状態を維持したまま凝固する。また、溶滴に添加材を加えることにより、溶融池に添加材を加える場合と比較して、母材と添加材との混合が低減される。さらに、本実施形態のように比較的熱容量が小さい溶滴に添加材を加えることにより、添加材が溶滴に分散した状態のまま迅速に冷却され、添加材の蒸発にともなう欠陥も低減される。したがって、摺動性能のさらなる向上を図ることができる。

他の実施形態による摺動部材では、前記添加材供給部は、前記マトリクスに添加される前記添加材を、粒子、前記粒子を含む粉末、前記粒子を含むワイヤ、または前記粒子を含む棒材として前記溶滴に供給する。

一実施形態による摺動部材を製造するための溶接装置を示す模式図一実施形態による摺動部材を製造するための溶接装置を示す模式図一実施形態による摺動部材を示す模式図一実施形態による摺動部材の組織を示す模式的な断面図一実施形態による摺動部材の製造方法の流れを示す模式図一実施形態による摺動部材の製造方法の流れを示す模式図一実施形態による摺動部材の製造方法の流れを示す模式図一実施形態による摺動部材を適用した回転部材を示す模式的な断面図

以下、図面に基づいて実施形態を説明する。
（溶接装置）
まず、摺動部材を製造するための溶接装置について説明する。
図１に示すように溶接装置１０は、母材１１とワイヤ１２との間の放電を用いた、いわゆるアーク溶接装置である。溶接装置１０は、ワイヤ供給部１３を備えている。ワイヤ供給部１３は、消耗電極であるワイヤ１２を、予め設定された周期と移動量で周期的に母材１１側へ移動とその反対側への移動とを繰り返しつつ供給する。ワイヤ供給部１３と母材１１との間は、電源装置１４を通して電気的に接続されている。電源装置１４は、ワイヤ供給部１３と母材１１との間に予め設定された電圧を印加する。ワイヤ１２は、ワイヤ供給部１３に接することによって、ワイヤ供給部１３と同一の電位となる。これにより、母材１１とワイヤ１２とが接近するとアーク状態になるとともに、母材１１とワイヤ１２とが接すると短絡状態となる。ワイヤ供給部１３によりワイヤ１２を進退することにより、母材１１とワイヤ１２との間はアーク状態と短絡状態とが繰り返し発生する。

ワイヤ供給部１３によってワイヤ１２の先端が母材１１に接近すると、ワイヤ１２と母材１１との間にアークが発生する。ワイヤ１２は、発生したアークによって瞬時に加熱され、溶融する。溶融したワイヤ１２は、溶滴１５となって母材１１側へ落下する。溶融したワイヤ１２の溶滴１５が母材１１に接すると、母材１１とワイヤ１２とが短絡し母材１１とワイヤ１２との間の通電が停止され、溶滴１５は母材１１に移行する。すなわち、ワイヤ１２は、アーク溶接による溶滴移行によって母材１１に積層される。ワイヤ供給部１３がワイヤ１２の先端を母材１１から遠ざけることによって、母材１１とワイヤ１２とが離間し、再び母材１１とワイヤ１２との間にアークが発生する。これを繰り返すことにより、母材１１にはワイヤ１２を構成する材料によって溶接層が形成される。

ワイヤ供給部１３は、ガス噴出口１６を有している。ワイヤ供給部１３は、ガス噴出口１６からシールドガス１７を噴射する。シールドガス１７は、例えばアルゴンやヘリウムなどの不活性ガスを主成分とし、酸素などが添加されている。ガス噴出口１６は、母材１１とワイヤ１２とが接触する溶接部の近傍を包囲するようにシールドガス１７を噴射する。これにより、母材１１とワイヤ１２との溶接部は、シールドガス１７によって外気から遮蔽される。シールドガス１７は、Ｏ_２を含むＡｒ、１００％のＡｒ、ＣＯ_２、Ａｒ＋ＣＯ_２、Ａｒ＋Ｈｅなどを用いることができる。

溶接装置１０は、上記に加え、添加材供給部２０を備えている。添加材供給部２０は、母材１１とワイヤ１２との間のアークによって形成された溶滴１５に添加材２１を供給する。本実施形態では、添加材供給部２０は、母材１１とワイヤ１２との間のアークによって母材１１側に形成された溶融池ではなく、ワイヤ１２側に形成された溶滴１５に添加材２１を供給する。添加材供給部２０は、図１に示すように粉末状の添加材２１を溶滴１５に供給する。また、添加材供給部２０は、図２に示すように添加材２１を含むワイヤ２２を溶滴１５に供給する構成でもよい。さらに、添加材供給部２０は、これら図１および図２に示す例に限らず添加材２１を含む棒材などを溶滴１５に供給する構成でもよい。

以上のように、本実施形態の場合、溶接装置１０は、添加材供給部２０を備えている。そのため、添加材２１は、母材１１とワイヤ１２との間のアークによってワイヤ１２が溶融して形成される溶滴１５に供給される。

（摺動部材の製造方法、摺動部材）
次に、上記の溶接装置を用いた摺動部材の製造方法、およびこれにより得られる摺動部材について説明する。
図３に示すように摺動部材３０は、母材１１および摺動層３２を備えている。摺動層３２は、母材１１と反対側の面に摺動面３３を形成する。母材１１は、例えばＦｅやＣｕなどの金属またはこれらの合金で形成されている。摺動層３２は、この母材１１の表面に溶接によって形成されている。具体的には、摺動層３２は、図１に示すようにワイヤ１２を母材１１に溶接することによってワイヤ１２を主材料として形成されている。摺動層３２は、Ｃｕ、Ａｌ、Ｓｎのうちの元素を第一成分とする合金である。すなわち、摺動層３２を構成する合金のマトリクスは、ワイヤ１２によって形成される。第一成分とは、摺動層３２を構成する合金の中で最も含有率の高いものである。例えば摺動層３２をＣｕ合金で形成する場合、ワイヤ１２はこの摺動層３２と同一のＣｕ合金で形成されている。

摺動層３２は、図４に示すようにマトリクス３４に均一かつ微細に分散した粒子相３５を有している。すなわち、摺動層３２は、マトリクス３４と、このマトリクス３４に均一かつ微細に分散した粒子相３５とを有している。粒子相３５は、低硬度相を含んでいる。低硬度相は、マトリクス３４よりも硬度の低い粒子の相である。低硬度相は、例えばＰｂ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｚｎなどから選択される少なくとも１つ以上の元素、またはこれらの化合物である。また、粒子相３５は、高硬度相を含んでいてもよい。高硬度相は、マトリクス３４よりも硬度の高い粒子の相である。高硬度相は、例えばＮｉ、Ｓｎ、Ｍｏ、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｗ、Ｃｒ、Ｓｃ、Ｚｒ、Ｃｏ、Ｐ、Ｂ、Ｃｕなどから選択される少なくとも１つ以上の元素もしくは化合物、またはこれらとＯ、Ｎなどとの化合物である。

ワイヤ１２は、図１および図２に示す溶接装置１０のワイヤ供給部１３に供給される。ワイヤ供給部１３に供給されたワイヤ１２は、母材１１との間のアーク放電によって溶融し、図５（Ａ）および図６（Ａ）に示すように溶滴１５を形成する。形成された溶滴１５は、添加材２１が添加される。添加材２１は、添加材供給部２０から溶滴１５に添加される。添加材２１は、図５（Ａ）に示すように粒子相３５となる予め選択された材料の粒子、材料の粒子を含む粉末として添加材供給部２０から溶滴１５に添加される。また、添加材２１は、図６（Ａ）に示すように材料の粒子を含むワイヤ２２、または材料の粒子を含む棒材として添加材供給部２０から溶滴１５に添加される。

低硬度相および高硬度相のうち少なくともいずれか一方を含む粒子相３５は、添加材供給部２０から供給される添加材２１から形成される。すなわち、溶融したワイヤ１２の溶滴１５に添加材２１を添加することにより、溶融したワイヤ１２の溶滴１５に粒子相３５となる各種の材料が混合される。そして、図５（Ｂ）および図６（Ｂ）に示すように溶滴１５が母材１１へ移行すると、ワイヤ１２をマトリクス３４の材料とする溶滴１５は母材１１に積層される。図５（Ｃ）および図６（Ｃ）に示すように溶滴１５が凝固することにより、母材１１には摺動層３２が形成される。

摺動層３２は、上記の例に限らず、図７に示すように形成してもよい。図７に示す例の場合、ワイヤ供給部１３に供給されたワイヤ１２は、母材１１との間のアーク放電によって溶融し、図７（Ａ）に示すように溶滴１５を形成する。形成された溶滴１５は、図７（Ｂ）に示すように母材１１へ移行する。図７に示す例の場合、添加材供給部２０は、図７（Ｃ）に示すように母材１１へ移行して溶融状態となっている溶滴１５に添加材２１を添加する。溶融した溶滴１５に添加材２１を添加することにより、溶融したワイヤ１２の溶滴１５に粒子相３５となる各種の材料が混合される。そして、溶滴１５が凝固することにより、母材１１には摺動層３２が形成される。なお、図５または図７に示すように、添加材供給部２０が添加材２１を添加する時期は、アークによって溶滴１５が形成されて母材１１で凝固するまでの間に設定することができる。

これらの摺動層３２は、上述のようにマトリクス３４に添加材２１を原料とする粒子相３５を含んでいる。本実施形態の場合、添加材２１は、摺動層３２の形成時において、母材１１とワイヤ１２とのアークによって母材１１に形成される溶融池ではなく、ワイヤ１２に形成される溶滴１５に加えられる。これにより、粒子相３５となる添加材２１は、溶滴１５に均一かつ微細に分散し、形成される摺動層３２にも均一かつ微細に分散する。これは、溶滴１５が母材１１に落下することにより、溶滴１５は迅速に冷却されるからである。すなわち、溶滴１５に加えられた添加材２１は、容積が比較的小さな溶滴１５と均一かつ微細に混合された後、母材１１に落下して冷却され、均一かつ微細に混合された状態を維持したまま凝固する。

また、溶滴１５に添加材２１を加えることにより、溶融池に添加材２１を加える場合と比較して、摺動層３２において母材１１との混合は低減される。溶融池は、ワイヤ１２と母材１１とが混合して溶融した状態となっている。そのため、例えば溶融池に添加材２１を加えると、添加材２１は摺動層３２となるワイヤ１２だけでなく溶融した母材１１とも混合される。そして、溶融池で混合された母材１１、ワイヤ１２および添加材２１は、凝固速度が緩やかとなり、添加材２１の凝集を招きやすくなる。さらに、例えば予めワイヤ１２に添加材２１を混合すると、アークによる加熱時に温度が上昇し、添加材２１の蒸発などによる欠陥を招きやすくなる。

これらに対し、本実施形態では、添加材２１は、比較的熱容量が小さい溶滴１５に加えられる。そのため、添加材２１による粒子相３５は、摺動層３２のマトリクス３４に分散した状態のまま迅速に冷却することができる。また、本実施形態では、添加材２１の蒸発にともなう欠陥の発生を低減することができる。
以上の手順により、母材１１に摺動層３２が積層された摺動部材３０が製造される。

摺動部材３０は、図３および図４に示すように母材１１および摺動層３２を備えている。本実施形態の場合、図４に示すようにマトリクス３４に添加材２１からなる粒子相３５が均一かつ微細に分散している。粒子相３５の低硬度相に含まれるＰｂやＢｉなどの融点の低い金属は、摺動層３２のマトリクス３４に比較して柔らかいＰｂ相やＢｉ相を形成する。そのため、粒子相３５の低硬度相は、摺動部材３０と相手材との摺動時における摺動部分での異物埋収性を高め、耐焼付性の向上に寄与する。一方、粒子相３５の高硬度相は、摺動部材３０と相手材との摺動時に生じる凝着物を除去する。摺動部材３０と相手材との摺動部分に摺動によって生じた凝着物などの異物が相手材に付着すると、凝着物と摺動部材３０の摺動面３３とが接し、その部分で焼付を招くおそれがある。摺動層３２に含まれる例えばＭｏ_２Ｃなどの高硬度相は、この摺動部分に付着する異物を掻き落す。これにより、粒子相３５の高硬度相は、摺動部材３０と相手部材との焼付の低減に寄与する。

（摺動部材の実施例）
摺動部材３０の実施例を検証した。実施例は、図１に示す溶接装置１０を用いて、母材１１となる鋼板に、Ｃｕ合金のワイヤ１２を用いてアーク溶接によって摺動層３２を形成した。母材１１にワイヤ１２を溶接するとき、粉末状の添加材２１をワイヤ１２の溶滴１５に供給した。ワイヤ１２は、Ｃｕ－Ｓｉ－ＭｎのＣｕを主成分とする合金であり、Ｃｕ系合金の摺動層３２を形成する。添加材２１の粉末は、Ｃｕ－２２Ｐｂ－１．５Ｓｎ（質量％）を用いた。シールドガス１７は、２ｖｏｌ％のＯ_２を含むＡｒを用いた。母材１１とワイヤ１２との間に印加する電圧は１４Ｖに設定し、溶接電流は８５Ａに設定した。その結果、図４に示すように摺動層３２に粒子相３５としてのＰｂが均一かつ微細に分散した組織が形成された。Ｐｂ相は、非常に微細であり、任意の断面における直径が０．５～３μｍであった。

以上説明したように、本実施形態では、ワイヤ１２の溶融によって形成された溶滴１５に添加材２１を添加している。これにより、添加材２１からなる粒子相３５は形成される摺動層３２のマトリクス３４に均一かつ微細に分散する。したがって、摺動性能をより高めるとともに、添加材２１を選択することにより、摺動性能を用途に応じて適切に制御することができる。

図８に示すように、本実施形態で形成する摺動部材３０は、例えば風力発電の軸や軸受など、大規模かつ面圧が高い回転部材４０に好適に用いることができる。図８に示す例の場合、回転部材４０は、母材１１および摺動層３２を備えている。回転部材４０は、回転軸部４１および摺動層３２を備えている。そして、回転部材４０は、母材１１からなる回転軸部４１に、摺動層３２が溶接によって直接設けられている。これら回転軸部４１と摺動層３２とは、摺動部材３０を構成している。
このように、回転軸部４１に溶接によって摺動層３２を直接設けることにより、摺動性能が制御された摺動層３２を備える摺動部材３０によって、高い面圧にも対応することができる。

以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。
例えば、摺動部材３０は、母材１１および摺動層３２に加え、図示しないオーバレイ層を備えていてもよい。この場合、オーバレイ層は、摺動層３２の表面、つまり母材１１と反対側の面に摺動層３２に重ねて形成される。オーバレイ層は、例えばＳｎやＢｉなどの軟質の金属または合金を用いることが好ましい。また、オーバレイ層は、例えば固体潤滑剤を分散した樹脂などを用いてもよい。摺動部材３０は、オーバレイ層を備えるとき、このオーバレイ層の最表面が相手材と摺動する摺動面３３となる。さらに、摺動部材３０は、母材１１と摺動層３２との間に、図示しない１層以上の中間層を備えていてもよい。この場合、中間相は、例えばＮｉやその合金など、母材１１と摺動層３２との接着力を高める材料を用いることが好ましい。

図面中、１０は溶接装置、１１は母材、１２はワイヤ、１５は溶滴、２０は添加材供給部、２１は添加材を示す。

Claims

母材にワイヤをアーク溶接することによって摺動層を形成する溶接装置であって、
前記摺動層を構成するマトリクスとなる前記ワイヤを供給するワイヤ供給部と、
前記ワイヤ供給部から供給された前記ワイヤと前記母材との間の放電によって溶融した溶滴に、前記マトリクスに添加する添加材を供給する添加材供給部と、
を備える溶接装置。
前記添加材供給部は、前記マトリクスに添加される前記添加材を、粒子、前記粒子を含む粉末、前記粒子を含むワイヤ、または前記粒子を含む棒材として前記溶滴に供給する請求項１記載の摺動部材の溶接装置。