JP3189681B2 - プラズマアーク溶接トーチ用ノズルおよび溶接管の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマアーク溶
接トーチ用ノズルおよびこのノズルを用いた溶接管の製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】プラズマアーク溶接法は、タングステン
電極と水冷構造のノズルとの間にパイロットアークを飛
ばし、このアークの中にＡｒあるいはＡｒとＨ _２ の混
合ガスなどの動作ガスを流してプラズマアークを発生さ
せる。そして、このプラズマアークを水冷構造のノズル
先端の小孔オリフィスを通して絞り、サーマルピンチ効
果を与えてエネルギー密度を高めたアーク（緊縮アー
ク）として被溶接材に到達させて溶融溶接する方法であ
る。

【０００３】このプラズマアーク溶接法の大きな特徴
は、プラズマアークの熱集中性が高いことから片面貫通
溶接の可能な点である。しかし、プラズマアーク溶接法
では、溶接速度を速くすると、溶接部の内外面にアンダ
カットや溶融金属の余盛量不足などの溶接欠陥が発生す
る。

【０００４】また、プラズマアーク溶接法では、一般的
に、溶接電流を高めるか、あるいはノズルの小孔オリフ
ィス径を小さくするなどしてプラズマアークのエネルギ
ー密度を高めることによって高速溶接が可能である。

【０００５】しかし、オリフィス径の小さいノズルを使
用したり溶接電流を高めたりすると、タングステン電極
からアーク電流が分離し、水冷構造のノズルを通って被
溶接材に流れ、ノズルと被溶接材の間にシリーズアーク
が発生するという、いわゆるダブルアークと称される異
常放電現象が生じる。その結果、プラズマ主アークが緊
縮アークとしての機能を失い、溶接ビードの蛇行やキー
ホール形成が困難になるなどのため、高速溶接を行なう
ことができないという問題があった。

【０００６】このような異常放電現象の発生を防止する
方法としては、純銅製のノズル外表面をダイヤモンドや
ＣＢＮ（キュービックボロンナイトライト）などの高絶
縁性かつ高熱伝導性を有する物質の薄膜で被覆したノズ
ルを用いる方法が提案されている（特開平５−８０４７
号公報）。

【０００７】しかし、この特開平５−８０４７号公報に
提案されたノズルは、ノズルに付着する溶融ドロスに起
因して生じるシリーズアークを防止するものでしかな
い。しかも、その皮膜材料の熱伝導率（Ｊ／ｃｍ・Ｓ・
Ｋ）は、ダイヤモンドで１．２６、ＣＢＮで１．０５で
あり、ノズルの銅の熱伝導率が３．８５であるのに比べ
て極めて悪い。また、皮膜が非金属であるために金属ノ
ズルとの結合力が弱く、かつ両者の熱膨張率が大きくこ
となる。このため、その皮膜がプラズマアークの輻射熱
等で容易に剥離溶損するという欠点があり、広く普及し
ていないのが実情である。

【０００８】ところで、前述したように、シリーズアー
クは、陰極であるノズルと陽極である被溶接材との間に
生じるアーク放電である。従って、このシリーズアーク
は、陰極であるノズルからの電子放出量を抑制できれ
ば、その発生を防ぐことができる。また、上記の電子放
出量は、ノズル自体を構成する材料固有の電子放出能
（通常、仕事関数と称される）およびノズル表面の温度
と表面状態（酸化膜など）に依存し、仕事関数が大きい
ほど、また表面温度が低いほど、さらには表面状態が清
浄なほど、少ない。

【０００９】このことから、本発明者らは、Ａｕ、Ａ
ｇ、Ｐｄ、Ｐｔなどの貴金属が大気中での耐酸化性に優
れる点に着目し、ノズル本体それ自体を純度が９９％以
上の上記貴金属で構成するか、銅製のノズル本体表面を
上記貴金属で被覆したノズルを用いると、シリーズアー
クの発生限界溶接電流を高め得ることを確認し、先に特
許出願した（特願平７−１６８３８６号）。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記先に特許
出願した貴金属製のノズルは、耐溶損性に若干問題があ
り、オリフィス口が比較的早期に溶損変形し、そのノズ
ル寿命、すなわち、シリーズアークが発生するか、もし
くは正常な溶接ビードが得られなくなるまでの溶接可能
な継続時間が比較的短いという欠点のあることが判明し
た。従って、例えばステンレス管をプラズマアーク溶接
法を用いて溶接製管する場合の生産性が低いという問題
があった。このため、耐溶損性を高めたより長寿命な貴
金属製ノズルの開発が望まれていた。

【００１１】本発明は、上記の実情に鑑みなてされたも
ので、その課題は、耐溶損性を高めたより長寿命なプラ
ズマアーク溶接トーチ用ノズルと、このノズルを用いた
溶接管の製造方法を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、次の
（１）および（２）のプラズマアーク溶接トーチ用ノズ
ルと溶接管の製造方法にある。

【００１３】（１）軸心部にタングステン電極が配置さ
れるノズル本体全体を、パラジウムまたは／および白金
の含有量が０．５〜１０重量％で、残部が実質的に金ま
たは銀からなる金合金または銀合金で構成したことを特
徴とするプラズマアーク溶接トーチ用ノズル。

【００１４】（２）上記（１）に記載のノズルを備える
トーチを用い、溶接製管することを特徴とする溶接管の
製造方法。

【００１５】上記の本発明は、本発明者らが種々実験研
究を行った結果、次のことを知見してなされた。

【００１６】すなわち、上記貴金属（Ａｕ、Ａｇ、Ｐ
ｄ、Ｐｔ）のシリーズアーク抑制効果を詳細に調べた。
この結果、そのシリーズアーク抑制効果は、Ａｕおよび
Ａｇに比べて極めて高価なＰｔおよび希少金属で入手困
難なＰｄではさほど高くなく、比較的安価なＡｕ、Ａｇ
の方が優れており、なかでも最も安価なＡｇが最も優れ
ていることが判明した。

【００１７】図１は、その調査結果の一例を示す図であ
り、図中の○印はシリーズアークが発生しなかった場合
を、●印はシリーズアークが発生した場合を示してい
る。

【００１８】図１から明らかなように、ＰｄおよびＰｔ
に比べ、ＡｕおよびＡｇのシリーズアークが発生しない
上限電流値である限界電流値（以下、Ｉｃ値という）の
方が高く、なかでもＡｇのＩｃ値が最も高いことがわか
る。

【００１９】なお、調査には、オリフィス径がいずれも
３．２ｍｍであり、ノズル本体が純銅製のノズル、純銅
製ノズル本体の外表面に、その純度がいずれも９９．９
％以上で、膜厚３μｍｍのＡｕ、膜厚３０μｍｍのＡ
ｇ、膜厚５μｍｍのＰｄおよび膜厚３μｍｍのＰｔから
なる電気めっき被膜を施したノズル、並びにノズル本体
全体がいずれも９９．９％以上のＡｇおよびＰｄ製のノ
ズルを用いた。また、Ｉｃ値は、プラズマアークの発生
時間を５分間としたときの値である。

【００２０】ところが、各Ｉｃ値を超える溶接電流で
は、いずれのノズルも、オリフィス口の出口端からシリ
ーズアークが発生し、オリフィス口の溶損変形が特に顕
著であった。このオリフィス口の溶損変形が発生する理
由としては、被溶接材料が溶融状態にあるとき、陰極で
あるノズルからの電子放出量が高くなることと、シリー
ズアークの発生に伴ってノズル自体が溶融することの２
つが考えられるが、いずれが原因であるかは確認不可能
であった。しかし、いずれにしても、ノズルの耐溶損性
を高める必要があり、高融点かつ高熱伝導性を有する材
料に改善する必要のあることが判明した。

【００２１】そこで、ノズルの耐溶損性を高めるべく、
かつノズルの製造コスト低減を図ることをも考慮し、上
記貴金属のうち、シリーズアーク抑制効果の優れるＡｕ
またはＡｇをマトリックスとし、極めて高価あるは希少
で入手困難なわりにシリーズアーク抑制効果がさほど高
くなく、かつ熱伝導性に劣るＰｄまたはＰｔを合金成分
とする金合金または銀合金のシリーズアーク抑制効果を
調べた。その結果、シリーズアーク抑制効果を得るに
は、Ｐｄまたは／およびＰｔの含有量が０．５〜１０重
量％で、残部が実質的に金または銀からなる金合金また
は銀合金にする必要があることを見いだした。

【００２２】図２は、その調査結果の一例を示す図であ
る。図２から明らかなように、Ｐｄを合金成分とする銀
合金の場合、１０重量％を超えてＰｄを添加含有させる
と、上記のＩｃがＰｄそれ自体のＩｃ値と何ら変わらな
い。しかし、その含有量を１０重量％以下にすると、Ａ
ｇ自体のＩｃ値に比べ低下するものの、そのＩｃ値が高
くなることがわかる。なお、図で示すことは省略する
が、その他の銀合金および金合金についても、上記と同
様の結果が得られた。

【００２３】なお、調査には、オリフィス径が３．２ｍ
ｍであり、ノズル本体全体がＰｄ含有量を種々変えたＰ
ｄ−Ａｇ合金製ノズルを用いた。また、Ｉｃ値は、プラ
ズマアークの発生時間を５分間としたときの値である。

【００２４】さらに、この合金製ノズルの上記ノズル寿
命、すなわち、シリーズアークが発生するか、もしくは
正常な溶接ビードが得られなくなるまでの溶接可能な継
続時間について調査した結果、長寿命であることが判明
した。

【００２５】図３は、その調査結果の一例を示す図であ
る。図３から明らかなように、純銅製ノズル（●印）お
よび純銅製ノズルの外表面に純度９９．９％以上の銀被
膜を施したノズル（▲印）に比べ、Ｐｄ−Ａｇ合金製ノ
ズル（■印）の方が溶接継続可能時間が格段に長いこと
がわかる。

【００２６】なお、調査は、オリフィス径がいずれも
３．２ｍｍであり、銀被膜を施したノズルについては被
膜厚さが３０μｍのノズル、Ｐｄ−Ａｇ合金製ノズルに
ついてはノズル本体全体を１．０重量％のＰｄを含有す
る銀合金で構成したノズルを用い、ステンレス管の連続
溶接製管ミルを対象に行った。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明にかかわるノズル
を、図４を参照して詳細に説明する。

【００２８】図４は、プラズマアーク溶接に用いられる
トーチの模式的縦断面図であり、図中、符号１がノズル
である。このノズル１は、通常、冷却水のシール用パッ
キン１ｃを介して相互に螺合締結可能な基端ノズル１ａ
とノズル本体１ｂとからなっている。また、図中の符号
２はタングステン電極、３は被溶接材料、４はプラズマ
アーク、５はシールドガスカバーである。

【００２９】本発明においては、上記のノズル本体１ｂ
が、０．５〜１０重量％のＰｄまたは／およびＰｔを含
有する金合金または銀合金のいずれかで製作される。

【００３０】このノズル本体１ｂの製作方法としては、
溶製合金の鍛圧材を素材とし、この素材に機械加工を施
して所定の形状寸法にする方法や、合金の溶金を所定の
形状と寸法の鋳型に鋳込んで製作することができる。ま
た、その合金を粉末焼結法を用いて製造し、所定の形状
と寸法にするようにしてもよい。

【００３１】いずれにしても、その合金は、Ｐｄおよび
Ｐｔのいずれか一方または両方を０．５〜１０重量％の
範囲で含有する金合金または銀合金でなければならな
い。

【００３２】すなわち、その合金中のＰｄまたは／およ
びＰｔの含有量が０．５重量％未満であると、十分なシ
リーズアーク抑制効果を得るに足りる耐溶損性、すなわ
ちＡｇと同等以上の耐溶損性を確保することができな
い。また、その含有量が１０重量％を超えると、前述し
たように、そのシリーズアーク抑制効果がＰｄまたはＰ
ｔとほぼ同じになり（前述した図２参照）、合金化する
意味がない。

【００３３】なお、１０重量％超のＰｄまたは／および
Ｐｔを添加含有させた場合、そのシリーズアーク抑制効
果がＰｄまたはＰｔ自体のそれと変わらなくなるのは、
次の理由によると推定される。

【００３４】すなわち、貴金属は、その表面に付着した
酸化物の熱分解性が優れている。そして、その酸化物の
熱分解温度は、ＡｕおよびＡｇが、それぞれ１３５℃、
２５０℃であるのに対し、ＰｄおよびＰｔはそれぞれ７
９０℃、６５０℃である。また、その熱伝導率（Ｗ／ｍ
・ｋ）は、ＡｕおよびＡｇが、それぞれ２９３、４１９
であるのに対し、ＰｄおよびＰｔはそれぞれ７５、７２
である。

【００３５】このため、Ｐｄまたは／およびＰｔの含有
量を多くすると、その含有量の増加に伴って合金自体の
酸化物分解温度が高くなる反面、熱伝導率が若干低下す
る。この結果、ノズル表面の酸化領域が拡大し、ノズル
表面が高清浄な状態に維持されなくなるのに加え、熱伝
導性低下に起因するオリフィス口の溶融損傷が顕著にな
るためと推定される。

【００３６】このように、ＰｄおよびＰｔのいずれか一
方または両方を０．５〜１０重量％の範囲で含有する金
合金または銀合金でノズル本体１ｂ全体を製作したトー
チを用いてプラズマアーク溶接を行う場合には、ノズル
本体１ｂに穿設されたオリフィス口の耐溶損変形性が優
れるので、高い溶接電流での溶接が可能になる。また、
そのノズル寿命が長寿命であるので、例えば普通鋼や特
殊鋼、さらにはステンレス鋼やチタンなどの溶接管を溶
接製管する連続溶接製管ミルに用いた場合には、その生
産性を向上させることができる。

【００３７】以上の説明は、ノズル本体１ｂのみを金合
金製または銀合金製とした場合であるが、基端ノズル１
ａについても金合金製または銀合金製としてもよい。ま
た、基端ノズル１ａとノズル本体１ｂとが一体物である
場合には、そのノズル全体を金合金製または銀合金製と
してよいことはいうまでもない。

【００３８】なお、純銅製のノズル表面に、上記の合金
被膜を施すことも可能である。しかし、両者の熱膨張率
差が大きいため、使用早期に被膜が剥離脱落し、所望の
ノズル寿命を得ることはできない。

【００３９】

【実施例】ステンレス管の連続溶接製管ミルを対象に、
材質が種々異なるノズル本体を備えるトーチを用い、外
径３４ｍｍ、肉厚３ｍｍのＳＵＳ３０４製のステンレス
溶接管の製造を行った。

【００４０】その際、プラズマ溶接機としては、最大電
流が５００Ａの移行式プラズマ溶接機を用いた。また、
タングステン電極としては線径が４．８ｍｍ、トーチと
してはノズル本体のオリフィス径が３．２ｍｍのものを
用いた。さらに、溶接は、溶接速度が２ｍ／ｍｉｎ、動
作ガス（１０％Ｈ _２ ＋Ａｒの混合ガス）流量が１．５
リットル／ｍｉｎ、シールドガス（Ａｒ）が１５リット
ル／ｍｉｎ、スタンドオフ量が２ｍｍの条件のもとに、
溶接電流を１８０Ａと２２０Ａとの２通りに変えて行っ
た。

【００４１】そして、シリーズアークが発生するか、も
しくは不正ビードが発生する時点までの連続溶接が可能
であった継続時間を調べ、ノズル本体のノズル寿命を評
価した。また、シリーズアークが発生して連続溶接が継
続不可となったものは、その時点におけるオリフィス口
の溶損変形状態を目視観察して調べた。

【００４２】その結果を、用いたノズル材質と溶接電流
と併せ、表１に示した。

【００４３】

【表１】

【００４４】表１に示す結果から明らかなように、本発
明のノズル（No. １３〜２２）のノズル寿命は、従来の
銅製ノズル（No. １〜２）、本発明者らが先に特許出願
した純度９９．９％以上の貴金属製ノズル（No. ３〜
６）およびＰｄ含有量が本発明で規定する範囲外のノズ
ル（No. １１〜１２）に比べ、いずれの電流値において
も連続溶接可能な継続時間が長く、長寿命であった。

【００４５】なかでも、５重量％のＰｔを添加含有させ
た銀合金製ノズル（No. ２１〜２２）のノズル寿命は、
溶接電流が１８０Ａの場合、従来の銅製ノズル（No. １
〜２）の約６．７倍と極めて長寿命であった。

【００４６】また、上記の銀合金製ノズル（No. ２１〜
２２）は、本発明者らが先に特許出願した純度９９．９
％以上の銀製ノズル（No. ３〜４）およびパラジウム製
ノズル（No. ５〜６）と比べても、それぞれ約１．７
倍、３．９倍と長寿命であり、ステンレス溶接管の生産
性が格段に向上した。

【００４７】合金成分として高融点材料であるＷおよび
Ｍｏを用いた銀合金製ノズル（No.７〜１０）は、連続
溶接可能な継続時間が極めて短かった。さらに、データ
の表示は省略するが、前述の特開平５−８０４７号公報
に提案された銅製ノズル表面にダイヤモンドまたはＣＢ
Ｎの被膜を施したノズルは、溶接電流１８０Ａの溶接で
１時間以内にシリーズアークが発生した。なお、上記の
ＷおよびＭｏを合金成分とする銀合金製ノズルは、溶製
することが困難なために粉末焼結合金を用いた。また、
そのノズル寿命が極めて短いのは、高融点であるものの
熱電子放出性が高く、かつ熱伝導性の悪いＷおよびＭｏ
の一部が時間経過に伴って分離し、この分離したＷおよ
びＭｏからシリーズアークが容易に発生するためと推定
される。

【００４８】以上の実施例結果からも明らかなように、
本発明のノズル本体を構成する金合金または銀合金の合
金成分としては、本発明で規定するＰｄまたはＰｔを用
いる必要のあることがわかる。

【００４９】

【発明の効果】本発明のノズルは、そのノズル寿命が極
めて長い。このため、このノズルを備えるトーチを用
い、例えばステンレス溶接管を製造する場合には、その
生産性を大幅に向上させることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】ノズル材質とシリーズアーク発生限界電流との
関係を示す図である。

【図２】Ｐｄ−Ａｇ合金中のＰｄ含有量とシリーズアー
ク発生限界電流との関係を示す図である。

【図３】ノズル材質とノズル寿命との関係の一例を示す
図である。

【図４】プラズマアーク溶接用トーチの模式的縦断面図
である。

【符号の説明】

１ ：ノズル、 １ａ：基端ノズル、 １ｂ：ノズル本体、 ２ ：タングステン電極、 ３ ：被溶接材料、 ４ ：プラズマアーク、 ５ ：シールドガスカバー。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｃ２２Ｃ 5/06 Ｃ２２Ｃ 5/06 Ｚ (56)参考文献 特開 平４−147772（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−91522（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−225727（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−150477（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−115702（ＪＰ，Ａ) 実開 平５−49179（ＪＰ，Ｕ) 実開 平６−66876（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 10/00 B23K 9/025 B23K 10/02 H05H 1/34 C22C 5/02 C22C 5/06

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】軸心部にタングステン電極が配置されるノ
   ズル本体全体を、パラジウムまたは／および白金の含有
   量が０．５〜１０重量％で、残部が実質的に金または銀
   からなる金合金または銀合金で構成したことを特徴とす
   るプラズマアーク溶接トーチ用ノズル。
2. 【請求項２】請求項１に記載のノズルを備えるプラズマ
   アーク溶接トーチを用い、溶接製管することを特徴とす
   る溶接管の製造方法。